Le réseau de jonctions utilisé pour faire des mesures radiofréquence est un SQIF de 1000 SQUID en série. Les surfaces sont aléatoirement distribuées entre 6 et 60 µm². Les jonctions ont pour dimensions 2µm de long et 40 nm d’épaisseur. Une boucle entourant le SQIF est utilisée pour envoyer le signal RF à détecter. De cette façon la détection est en champ proche.
Afin de réduire la taille du circuit, le réseau des SQUID est sous forme de méandre, comme nous pouvons le voir à la Figure 64. A gauche deux images montrent le dessin du masque de lithographie du circuit. En a) nous voyons la ligne de polarisation RF qui entoure le méandre et qui est utilisée pour envoyer les signaux à détecter. En b) un agrandissement montre le méandre de SQUID, entouré par la ligne d’injection du signal RF. Des flèches jaunes indiquent le sens de circulation des courants radiofréquence. En c), une image prise au microscope optique montre en couleur foncé les boucles SQUID. La résolution n’est pas suffisante pour voir les jonctions Josephson, à titre explicatif, elles ont été rajoutées en rouge. A droite de la figure, un schéma montre en noir le méandre de SQUIDs, et en bleu la boucle RF qui entoure le méandre.
Figure 64 : SQIF de 1000 SQUID en série, entouré d'une ligne de polarisation RF (Recoba Pawlowski et al., 2018). En a) dessin du masque de lithographie montrant le SQIF au centre et la ligne par laquelle est injecté le signal radiofréquence. En b) un agrandissement montre le méandre de boucles en série entourées de la ligne de polarisation RF. Les flèches jaunes indiquent la circulation du courant RF. En c) une image prise avec un microscope optique montre une part du circuit. Les jonctions ne sont pas visibles, elles ont été rajoutées en rouge à titre explicatif. A droite un schéma montre en noir le méandre de SQUIDs et en bleu la boucle RF les entourant.
98 A 66 K la partie réelle de l’impédance est estimée, à 200 Ohm pour le premier circuit et 184 Ohm pour le deuxième, par la méthode de régression linéaire sur les mesures R(T) que nous avons décrit précédemment. La plupart des appareils de mesure étant adaptés à une impédance de 50 Ohm, le circuit SQIF sera désadapté lors des mesures radiofréquence. D’une manière générale, le gain d’un circuit s’écrit en fonction de la puissance d’entrée 𝑃𝑖𝑛 et de la puissance en sortie 𝑃𝑜𝑢𝑡 de la façon suivante :
𝐺 = 10. 𝑙𝑜𝑔 (
𝑃𝑜𝑢𝑡𝑃𝑖𝑛
)
( 123 )Le gain s’exprime en dB. En termes de tension on peut transformer le gain d’après la formule suivante :
𝐺 = 10. 𝑙𝑜𝑔 (
𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑅𝑜𝑢𝑡 2 𝑉𝑖𝑛 𝑅𝑖𝑛 2)
( 124 )Dans notre cas, 𝑉𝑖𝑛 est la tension réponse du SQIF que l’on souhaite mesurer, c’est la tension en entrée du circuit de mesure. Par conséquent 𝑉𝑜𝑢𝑡 est la tension en sortie du circuit qui arrive à l’analyseur de spectre. 𝑅𝑖𝑛est la partie réelle de l’impédance du SQIF, et 𝑅𝑜𝑢𝑡 est l’impédance du circuit de mesure. Lorsque l’adaptation d’impédance est réalisée : 𝑅𝑜𝑢𝑡 = 𝑅𝑖𝑛 alors
𝐺 = 10. 𝑙𝑜𝑔 (
𝑉𝑜𝑢𝑡𝑉𝑖𝑛
)
2= 20. 𝑙𝑜𝑔 (
𝑉𝑜𝑢𝑡𝑉𝑖𝑛
)
( 125 )Nous mesurons 𝑉𝑜𝑢𝑡, nous connaissons le gain G de notre circuit, ce qui nous permet de déduire la tension en sortie du SQIF 𝑉𝑖𝑛 :
𝑉
𝑖𝑛=
𝑉𝑜𝑢𝑡10𝐺 20⁄
( 126 )
Lorsque l’adaptation d’impédance n’est pas réalisée, la tension 𝑉𝑜𝑢𝑡 en sortie du montage se calcule en fonction des impédances 𝑅𝑜𝑢𝑡 et 𝑅𝑖𝑛 selon la relation :
𝑉
𝑜𝑢𝑡= √𝑉
𝑖𝑛2.
𝑅𝑜𝑢𝑡𝑅𝑖𝑛
. 10
𝐺 10⁄( 127 )
Comme nous pouvons le constater avec cette dernière formule, lorsque l’adaptation d’impédance est réalisée, la tension RF en sortie du SQIF est amplifiée selon le gain du circuit de mesure. Si la partie réelle de l’impédance du SQIF est supérieure à celle du circuit de mesure, alors 𝑉𝑜𝑢𝑡 est plus faible qu’attendu car on perd un peu du signal issu du SQIF. Au contraire si l’impédance du SQIF est très inférieure à celle du circuit le gain est augmenté.
Il est souhaitable d’avoir un SQIF dont la partie réelle de l’impédance est au maximum de 50 Ohm. Pour un SQIF série cela revient à réduire le nombre de jonctions en série. Cette solution nous ferait perdre de l’amplitude en tension et de la sensibilité. Les réseaux 2D devraient permettre de résoudre cet inconvénient car on peut choisir la valeur d’impédance en fonction du nombre de jonctions en parallèle et en série, de cette façon il est possible de fabriquer un SQIF de 50 Ohm d’impédance.
99 Les circuits de mesure que nous avons utilisés sont adaptés à 50 Ohm. Par conséquent, comme la résistance normale des SQIF est autour de 200 Ohm, il y a des pertes de signal dans nos mesures.
4.2.1 Montage expérimental
Deux séquences de mesures ont été effectuées. La première a été réalisée dans le banc expérimental décrit au chapitre 3. Pour ces mesures, nous n’avons pas utilisé de multiplexage car nous avons mesuré un seul circuit. La Figure 65 montre le montage utilisé. Un support en nitrure d’Aluminium (ALN) est vissé sur une tête froide en cuivre. A ce support est vissé un circuit imprimé qui contient des pistes adaptées à 50 Ohm. Ces pistes servent à l’injection de signaux à détecter dans la boucle RF d’une part et pour récupérer le signal en sortie du SQIF d’autre part. Les SQIF peu visibles sur cette figure sont les mêmes structures que celle de la Figure 64 . Au centre du circuit imprimé, un trou permet de coller la puce SQIF au support en AlN. Dans cette figure, 𝑅𝐹𝑖𝑛 est la piste de circuit reliée à une source de signaux radiofréquence d’une part, et à la boucle RF d’autre part. Ce que nous avons nommé 𝑅𝐹𝑜𝑢𝑡 est la sortie RF du SQIF, cette piste est reliée par microsoudure à la sortie du SQIF et arrive à un circuit de type bias-tee en entrée d’un préamplificateur. Ce dispositif sert à filtrer la composante continue du signal, qui est récupérée par une autre piste de circuit et des filtres RF.
Ainsi le signal est décomposé en composante continue et composante radiofréquence. Dans la partie RF, le signal en sortie du circuit bias-tee arrive dans un premier temps dans un préamplificateur cryogénique, puis dans un deuxième amplificateur à température ambiante.
Figure 65 : Montage expérimental pour des mesures radiofréquence. Sur un support en AlN est visé un circuit PCB. Au centre une puce contient deux circuits SQIF.
100 Un deuxième montage, utilisé dans un autre banc de mesure à servi à faire des mesures à plus haute fréquence. Ce montage est visible à la Figure 66, contrairement à la configuration précédente, le circuit SQIF repose à l’horizontale. Les bobines de polarisation en flux sont disposées de façon que le champ arrive perpendiculairement au circuit. Le circuit imprimé est le même que celui utilisé précédemment. Pour ce montage nous avons utilisé un seul amplificateur, ayant une plus large bande que le précédent, afin de réaliser des mesures autour de 1 GHz. Nous avons fait des mesures en envoyant le signal RF à détecter via la boucle RF qui entoure le SQIF, puis via une antenne sous forme de boucle, visible dans l’encadré rouge de la Figure 66. Cette boucle de 5 mm de diamètre a été faite pour fonctionner à une fréquence autour de 1 GHz. Le désavantage à travailler avec des antennes comme celle-ci est qu’il faut les dimensionner en fonction de la fréquence de travail, tandis que la boucle RF, si elle n’a pas de résonnances, permet de travailler dans large intervalle de fréquences.
Figure 66 : Un autre montage expérimental pour les mesures radiofréquence. A gauche on voit le circuit PCB entouré de bobines. A droite un agrandissement montre le circuit en détail. L'encadré rouge montre une configuration où le signal à détecter est envoyé via une antenne au-dessus du SQIF.
Pour les deux montages, les mesures radiofréquence ont été réalisées après une caractérisation DC qui a permis de trouver le point de fonctionnement optimal du circuit SQIF. Une fois la température et le courant de polarisation fixés, on effectue des balayages en champ magnétique et on enregistre au même temps la réponse DC et la réponse RF. De cette façon nous pouvons mieux visualiser le comportement du SQIF en présence d’un signal radiofréquence.
La Figure 67 montre un schéma de mesure RF. Comme nous travaillons avec un seul circuit, le multiplexeur n’est pas utilisé. Pour la partie DC, on mesure les tensions VDC
101 comme expliqué avec le schéma de la Figure 44. En simultané, un signal RF est envoyé avec une source de signaux radiofréquence Agilent N9310A. Le signal est injecté dans la boucle RF de la Figure 64 a), ou dans une antenne qui irradie le SQIF. La sortie du SQIF est reliée à un amplificateur puis à un analyseur de spectre Agilent EXA N9010A. L’analyseur de spectre peut être remplacé par un analyseur de réseau. De cette façon, nous mesurons VDC et VRF en simultané.
Plusieurs amplificateurs ont été utilisés. La première séquence de mesures, qui sera décrite en 4.3.1, a été réalisée avec un amplificateur et un préamplificateur cryogénique de la marque Stahl-electronics. Le préamplificateur est le modèle est HF C 50 B. Il a une bande passante qui s’étend de 160 kHz à 50 MHz et un gain linéaire proche de 20 au milieu de la bande passante. L’amplificateur est le modèle A7/RTA 50, il a une bande passante qui s’étend de 40 kHz à 70 MHz et un gain linéaire réglable entre 10, 20, 50, 100 et 150.
Une deuxième séquence de mesures sera effectuée avec des amplificateurs ayant une plus large bande en fréquence. Le premier amplificateur est un modèle cryogénique de la marque Miteq, ayant une bande passante qui va de 100 MHz à 2 GHz avec un gain de 40 dB. Le deuxième amplificateur, aussi de la marque Miteq, a une bande passante entre 4 et 8 GHz et un gain proche de 40 dB.
Figure 67 : Schéma expérimental des mesures DC et RF. Pour la partie DC, la même séquence décrite à la Figure 44 est reprise, pour la partie RF, une source de signaux radiofréquence est utilisée pour envoyer les signaux à détecter. Comme nous utilisons un seul circuit, le multiplexeur n’est pas utilisé. La sortie du SQIF branchée à un amplificateur, ensuite un analyseur de spectre mesure des tensions VRF.
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