ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Аннотация
Современная микроэлектроника на основе эффектов Джозефсона и сверхпроводимости получает всю большую актуальность за счет сверхвысокой чувствительности к электромагнитному излучению. Соответственно, параллельно развиваются криогенные охладительные системы и считывающая электроника для них. Для экспериментального исследования свойств сверхпроводящих квантовых интерференционных детекторов (СКВИД) и устройств на одиночных быстрых квантах магнитного потока (RSFQ) при криогенных температурах вплоть до 4,2 градуса Кельвина в полосе частот 10 кГц- 500 МГц были разработаны и экспериментально исследованы криогенные усилители на основе SiGe гетероструктурных биполярных транзисторов. Коэффициент усиления по напряжению составляет 15 дБ при максимальной мощности рассеивания 750 мкВт для представленного диапазона частот. Шумовая температура и эквивалентное шумовое сопротивление составляют менее 2 градусов Кельвина и 50 Ом, соответственно, при температуре эксперимента 4,2 К и спектральной плотности шума напряжения 35 пкВ/√Гц, приведенного ко входу. Малое эквивалентное шумовое сопротивление и малая шумовая температура позволяют использовать предложенные криогенные усилители в системах детектирования сигналов приведенных выше сверхпроводниковых устройств. При этом, малая мощность рассеивания позволяет увеличить число измерительных трактов за счет увеличения общего числа усилителей в криостате до нескольких десятков. Это также является актуальным при усилении сигналов в радиоастрономии, где количество каналов определяет качество принимаемого сигнала.

Список литературы

1. Augustine M.P., TonThat D.M., Clarke J. SQUID detected NMR and NQR // Solid State Nuclear Magnetic Resonance. – 1998. – Vol. 11. – Pp. 139–156.
2. Matlashov A.N., Koshelets V.P., Kalashnikov P.V. Zhuravlev Y.E., Slobodchikov V.Yu., Kovtonyuk S.A., Filippenko L.V. High sensitive magnetometers and gradiometers based on DC SQUIDs with flux focuser // IEEE Trans. – 1991. – Vol. 27. – No. 2. – Pp. 2963–2966.
3. Clarke J., Braginski A.I. The SQUID Handbook. Fundamentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems, Gruenstadt, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. – 2004. – Vol. I. – Pp. 395.
4. Reich T., Ortlepp Th., Uhlmann F.H. and Febvre P. Experimental analysis of a digital SQUID device at 4.2 K // Supercond. Sci. Technol. – 2005. – Vol. 18. – Pp. 1077–1081.
5. Reich T., Ortlepp Th. and Uhlmann F.H. New approach for a highly sensitive magnetometer utilizing a multi-stage digital SQUID // Supercond. Sci. Technol. – 2006. – Vol. 19. – Pp. 276–279.
6. Ortlepp T., Ariando O. Mielke, Verwijs C.J.M., Foo K.F.K., Rogalla H., Uhlmann F.H., Hilgenkamp H. Flip-Flopping Fractional Flux Quanta // Science. – 2006. – Vol. 312. – No. 5779. – Pp.1495–1497.
7. Mooij J.E., Orlando T.P., Levitov L., Tian Lin, Caspar H. van der Wal, Seth Lloyd. Josephson Persistent-Current Qubit // Science. – 1999. – Vol. 285. – No. 5430. – Рp. 1036–1039.
8. Makhlin Yu., Schoen G., Shnirman A. Quantum-state engineering with Josephsonjunction devices // Rev. Mod. Phys. – 2001. – Vol. 73. – No. 2. – Рp. 357–400.
9. Izmalkov A.,Grajcar M., Il’ichev E., Wagner Th., Meyer H.-G., Smirnov A.Yu., Amin M.H.S., Alec Maasen van der Brink, and Zagoskin A.M. Evidence for Entangled States of Two Coupled Flux Qubits // Phys. Rev. Lett. – 2004. – Vol. 93. – No. 3. – Рp. 037003–037006.
10. Izmalkov A., S.H.W. van der Ploeg, Shevchenko S.N., Grajcar M., Il’ichev E., Huebner U., Omelyanchouk A.N. and Meyer H.-G. Consistency of Ground State and Spectroscopic Measurements on Flux Qubits // Phys. Rev. Lett. – 2008. – Vol. 101. – No. 1. – Рр. 017003–017006.
11. Clarke J., Wilhelm Frank K. Superconducting quantum bits // Nature/ – 2008. – Vol. 453. – Рp. 1031–1042.
12. Pospieszalski M.W., Weinreb M., Norrod R.D., Harris R. FET's and HEMT's at Cryogenic Temperatures- their properties and use in low-noise amplifiers // IEEE Trans. – 1988. – Vol. 36. – No. 3. – Рp. 552–560.
13. Risacher Ch. and Belitsky V. GaAs HEMT Low-Noise Cryogenic Amplifiers from C-Band to X-Band with 0.7-K/GHz noise temperature // IEEE microwave on. – 2003. –Vol. 13. – No. 3. – Рp. 96–98.
14. Oukhanski N., Grajcar M., Il’ichev E. and Meyer H.-G. Low noise, low power consumption high electron mobility transistors amplifier, for temperatures below 1 K // Rev. Sci. Instrum. – 2003. – Vol. 74. – No. 2. – Pp. 1145–1146.
15. Oukhanski N., Stolz R. and Meyer H.-G. High slew rate, ultra stable direct-coupled readout for dc superconducting quantum interference devices // Appl. Phys. Let. – 2006. – Vol. 89. – No. 6. – Рp. 063502–063502-3.
16. Wuensch S., Ortlepp Th., Crocoll E., Uhlmann F.H. and Siegel M. Cryogenic semiconductor amplifier for RSFQ-Circuits with high data rates at 4.2 K // IEEE Trans. – 2009. – Vol. 19. – No. 3. – Рp. 574–579.
17. Korolev A.M., Shnyrkov V.I. and Shulga V.M. Ultra-high frequency ultra-low dc power consumption HEMT amplifier for quantum measurements in millikelvin temperature range // Rev. Sci. Instrum. – 2011. – Vol. 82. – No. 1. – Рp. 016101–016103.
18. Kiviranta M. Use of SiGe bipolar transistors for cryogenic readout of SQUIDs // Supercond. Sci. Techn. – 2006. – Vol. 19. – No. 2. – Рp. 1297–1302.
19. Weinreb S., Bardin J. and Mani H. Design of cryogenic SiGe low-noise amplifiers // IEEE Trans. – 2007. – Vol. 55. – No. 11. – Рp. 2306–2312.
20. Bardin Joseph C., Weinreb S. A 0.1–5 GHz Cryogenic SiGe MMIC LNA // IEEE microwave. – 2009. – Vol. 19. – No. 6. – Рp. 407–409.
21. Weinreb S., Bardin J., Mani H. and Jones G. Matched wideband low-noise amplifiers for radio astronomy // Rev. Sci. Instrum. – 2009. – Vol. 80. – No. 4. – Рp. 044702–044707.
22. Ivanov B.I., Trgala M., Grajcar M., Il'ichev E. and Meyer H.-G. Cryogenic ultra-lownoise SiGe transistor amplifier // Rev. Sci. Instrum. – 2011. – Vol. 82. – No. 10. – Рp. 104705–104707.
23. Beev N. and Kiviranta M. Cryogenic low-noise dc-coupled wideband differential amplifier based on SiGe heterojunction bipolar transistors // Rev. Sci. Instrum. – 2012. – Vol. 83. – No. 6. – Рp. 066107–066109.
24. Beev N. and Kiviranta M. Fully differential cryogenic transistor amplifier // Cryogenics. – 2013. – Vol. 57. – Рp. 129–133.
25. Shnyrkov V., Wagner T., Born D., Shevchenko S., Krech W., Omelyanchouk A., Il’ichev E. and Meyer H.-G. Multiphoton transitions between energy levels in a phasebiased Cooper-pair box // Phys. Rev. B. – 2006. – Vol. 73. – No. 2. – Рp. 024506–024513.
26. Supermix simulation library [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www. submm.caltech.edu/supermix
27. iSim 7.00h electronics circuit simulator [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www. intersil.com/content/intersil/en/tools/isim.html