4.4 Mesures haute fréquence
4.4.2 Mesures RF avec une antenne au-dessus du SQIF
Nous avons réalisé des mesures à 1 GHz en utilisant une antenne sous forme de boucle, visible à la Figure 66, à la place de la ligne RF qui entoure le SQIF. Dans une publication (Couëdo et al., 2019), nous parlons d’un circuit ayant 300 SQUIDs en série, ce circuit est celui que nous avons utilisé dans les mesures montrées précédemment. Nous avons estimé le nombre de SQUID actifs dans le réseau d’après la comparaison entre les deux mesures DC effectuées (voir Figure 74) au nombre de 300, ce qui explique le chiffre annoncé dans la publication.
Selon le schéma de mesure de la Figure 67, un filtre de 400 MHz de bande passante, centrée à 1.17 GHz a été rajouté à l’extérieur du cryostat, entre la source de signaux RF et l’antenne boucle. De cette façon, on filtre les signaux ambiants parasites. L’antenne est placée 1 cm au-dessus du SQIF, comme on peut le voir à la Figure 66. Bien que le signal à détecter soit plus éloigné du SQIF que lorsqu’il est envoyé via la boucle RF, nous sommes toujours en configuration de champ proche avec l’antenne qui est placée à 1 cm du SQIF (distance inférieure à la longueur d’onde). Un circulateur a été placé entre l’amplificateur (à l’extérieur du cryostat) et le SQIF, de sorte à ce que le bruit de l’amplificateur ne remonte pas au SQIF.
La Figure 93 a), montre un graphique en échelle de couleurs de la sensibilité à 66 K (température optimale de fonctionnement). En ordonnée, le champ magnétique DC produit par les bobines de Helmholtz est représenté en fonction du courant de polarisation. D’après l’échelle de couleurs on peut voir que le maximum de sensibilité se trouve pour un courant de 60 µA, qui est le courant optimal de fonctionnement.
Dans cette configuration, des mesures ont été effectuées en envoyant un signal à 1.125 GHz à l’antenne sous forme de boucle, à une puissance de 0 dBm. Dans ce qui suit seulement cette fréquence sera mesurée. Etant donné que le signal à détecter ne se trouve plus dans la puce contenant le SQIF, le couplage entre l’antenne et le SQIF est très faible et nous devons travailler avec des puissances élevées. A cette fréquence, la Figure 93 b) montre un graphique où on représente en ordonnée, à gauche en symboles rouges la tension ∆𝑉𝑅𝐹 mesurée à l’analyseur de spectre à 66 K et 60 µA. A droite est représentée la sensibilité 𝑉𝐵, en fonction du champ magnétique. On peut constater que les modulations de ∆𝑉𝑅𝐹 en fonction du champ magnétique suivent les modulations de 𝑉𝐵. En c) on peut observer que cette correspondance est valable pour plusieurs courants de polarisation, et en d) pour plusieurs températures. Ces correspondances de la tension RF et la sensibilité en fonction du courant, de la température et du champ magnétique nous prouvent que c’est une détection SQIF qu’on observe. La tension RF mesurée, ∆𝑉𝑅𝐹 est le produit de la sensibilité 𝑉𝐵 et le champ magnétique RF du signal incident, 𝑏𝑅𝐹.
126 Figure 93 : En a), sensibilité du SQIF série en fonction du champ magnétique DC et du courant de polarisation, mesurés à la température de 66 K. En b), ∆𝑉𝑅𝐹 en symboles rouges et 𝑉𝐵 en noir en fonction du champ magnétique à 66 K et 60 µA. En c) maximum de ∆𝑉𝑅𝐹 en symboles rouges et maximum de 𝑉𝐵 en noir à 66 K et pour plusieurs courants de polarisation. En d) des caractéristiques de ∆𝑉𝑅𝐹 en couleurs et 𝑉𝐵 en noir à 60 µA et pour plusieurs températures en fonction du champ magnétique.
La Figure 94, montre la tension ∆𝑉𝑅𝐹 en fonction de la sensibilité pour plusieurs puissances du signal incident allant de -60 dBm à 10 dBm en a) et b). On observe un comportement linéaire, et la pente de ces caractéristiques est le champ détecté, 𝑏𝑅𝐹. La figure c) montre 𝑏𝑅𝐹, qui est également linéaire en fonction de puissance d’entrée. On estime 𝑏𝑅𝐹, la valeur minimale de champ détectable de l’ordre de 10 𝑝𝑇, ce qui donne une sensibilité de 300 𝑓𝑇/√𝐻𝑧 sur une bande de 1 kHz. Transformée en puissance, cette valeur de champ magnétique correspond à une puissance de -110 dBm, ce correspond au seuil de bruit des appareils de mesure, et la limite basse actuelle de détection des technologies radar.
Figure 94 : a) et b) Tension ∆𝑉𝑅𝐹 en fonction de 𝑉𝐵 mesurée en réponse à un signal de 1.125 GHz et plusieurs puissances allant de -60 dBm à 10 dBm à 66 K et 60 µA. En c) champ magnétique RF du signal incident en fonction de la puissance.
On peut comparer cette valeur de sensibilité à d’autres techniques de magnétométrie, comme par exemple la magnétométrie atomique, qui montre des sensibilités de l’ordre du µ𝑇/√𝐻𝑧 (Stark et al., 2017), (Horsley & Treutlein, 2016).
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Nous avons réalisé la détection de signaux avec une antenne sous forme de boucle, en configuration de champ proche. La tension ∆𝑉𝑅𝐹 détectée varie comme la sensibilité 𝑉𝐵 pour différents champs magnétiques DC, différents courants de polarisation et différentes températures. Ceci est la signature d’une détection SQIF. Nous avons estimé la sensibilité du capteur à une valeur de 300 𝑓𝑇/√𝐻𝑧 sur une bande de 1 kHz.
La valeur minimale de 10 pT de champ magnétique détectable correspond au seuil de bruit des appareils de mesure (-110 dBm) et est la limite actuelle de détection des technologies radar.
Pour conclure ce chapitre, nous pouvons dire que nous avons effectué la détection de signaux radiofréquence jusqu’à 5 GHz à la fréquence fondamentale et 10 GHz à la deuxième harmonique. A basse fréquence la densité spectrale de puissance mesurée à l’analyseur de spectre se comporte comme la dérivée première de la tension DC en fonction du champ magnétique à la fréquence du signal incident et comme la dérivée seconde à la deuxième harmonique. A plus haute fréquence ce comportement est masqué par un couplage inductif dû au circuit de mesure, à des signaux parasites très puissants et la détection d’harmoniques et mélanges d’autres fréquences.
Malgré ces perturbations nous avons relevé une dynamique d’au moins -60 dB pour plusieurs fréquences, et nous avons détecté des fréquences de la bande FM, en configuration de champ lointain.
Une façon de rendre les jonctions robustes à des signaux puissants pourrait être d’augmenter leur courant critique, en employant des jonctions Josephson plus épaisses par exemple, car de cette façon les courants RF générés par un signal trop puissant seraient négligeables. Il est nécessaire aussi d’augmenter le plus possible l’amplitude en tension des caractéristiques V(B) afin d’augmenter la dynamique du capteur. D’autre part des circuits 2D seraient plus intéressants pour ce type de mesure, car ils permettent l’adaptation d’impédance.
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5 Mesures SQIF DC
En tant que détecteurs de champ magnétique large bande, les SQIF sont des dispositifs intéressants, étant donné l’ensemble de possibilités qu’ils offrent. Les réseaux que nous avons utilisé pour faire des mesures radiofréquence existaient au début de cette thèse, ils n’ont pas été conçus dans une optique d’optimisation. Après avoir prouvé les capacités des SQIF en tant que détecteurs large bande, nous cherchons maintenant à optimiser les caractéristiques DC, afin d’augmenter au plus possible leur sensibilité.
Les paramètres de variation intervenant dans l’optimisation de la sensibilité et l’amplitude des signaux DC sont très nombreux. C’est la raison pour laquelle un très grand nombre de circuits a été conçu. Chaque dispositif vise l’étude d’un paramètre d’optimisation. Certains circuits ont pour objectif la vérification de la théorie, comme par exemple ceux permettant d’étudier la mise en série, en parallèle ou en 2D. D’après la théorie, pour un nombre N de SQUID en série, la sensibilité et l’amplitude augmentent proportionnellement à N. Pour les réseaux parallèles de M SQUID, l’amplitude des signaux est celle d’un SQUID individuel, mais la sensibilité augmente proportionnellement à M. Enfin pour les réseaux 2D de M boucles en parallèle et N en série, l’amplitude augmente comme N et la sensibilité comme NxM. Afin de vérifier ceci, des SQIF série ont été conçus, avec comme paramètre de variation le nombre N de boucles en série, les réseaux allant de N=10 à N=200 par pas de 10. De la même manière, une autre puce possède les mêmes surfaces variant selon la même loi, mais dans une configuration en parallèle. Enfin toujours en prenant les mêmes surfaces de boucle, des réseaux 2D proposent le même type d’étude. Avec cet ensemble de circuits, nous devrions être capables de vérifier ce que prévoit la théorie en termes d’amplitude et de sensibilité.
En prenant comme référence les réseaux parallèle et série de M=50 ou N=50, nous avons cherché à étudier quelle influence pouvait avoir l’épaisseur des pistes supraconductrices au sein d’un réseau, est-ce qu’une piste épaisse peut améliorer l’effet de focalisation ? Est-ce que l’épaisseur de la piste à une influenEst-ce sur le couplage des boucles du réseau ? Deux groupes de dispositifs, en série et en parallèle ont été conçus pour répondre à cette question.
Toujours en partant du réseau parallèle correspondant à M=50, nous nous sommes interrogés sur l’effet de l’emplacement des différentes surfaces de boucle au sein du réseau. Des circuits ayant petites surfaces aux extrémités et grandes au milieu sont comparés à leur opposé, ainsi qu’à des circuits alternant petites et grandes surfaces, ou à des circuits ayant petites surfaces d’un côté et grandes de l’autre, ou encore à des réseaux dont les surfaces sont aléatoirement distribuées. En tout cinq configurations de surfaces ont été conçues, nommées A, B, C, D et E. En partant de ces configurations de base, une étude de la mise en 2D a été effectuée.
Pour chaque configuration de surfaces, nous avons étudié quel est l’effet de la répétition en série de SQIF parallèles. Ainsi pour chaque configuration nous avons des réseaux parallèles répétés en série 2, 5, 10 puis 15 fois selon une structure compacte. Nous nous sommes également interrogés sur la structure 2D de type compact, en comparaison avec la structure parallèle série, et série parallèle. La structure parallèle série (Figure 28 gauche) consiste en la mise en parallèle de réseaux série indépendants. Ceci implique que chaque
129 réseau possède sa propre ligne de polarisation et que toutes les lignes de polarisation se rejoignent en un point pour faire la connexion en parallèle. La problématique est alors que de cette façon on crée des boucles de circuit qui introduisent du flux de champ magnétique susceptible de perturber le fonctionnement du réseau entier. Une autre configuration est le réseau 2D série parallèle. A l’inverse du réseau précédent on connecte ici des réseaux parallèles en série, de façon que chaque réseau soit indépendant de son voisin (Figure 28 droite). Afin d’éviter des confusions, nous appellerons ces réseaux série parallèle des réseaux 2D espacés, en opposition aux réseaux compacts.
Des circuits 2D compacts et espacés ont donc été conçus selon les configurations de surfaces A, B, C et D. Dans tous ces réseaux la mise en 2D s’effectue par la répétition de réseaux parallèles en série. De cette façon la variation des surfaces s’effectue selon une seule direction. Pour comparaison, des circuits ont aussi été conçus en faisant varier les surfaces selon deux dimensions. Pour cette dernière structure nous nous sommes interrogés sur la possibilité de faire un SQIF dit série-2D, qui consisterait en la mise en série de circuits identiques 2D compacts, avec des surfaces variant selon deux dimensions. Afin de tester la fabrication de très grands circuits, des réseaux ont été conçus avec un nombre important de SQUID, de l’ordre de 55000 boucles en 2D, assemblés selon une structure compacte.
Nous verrons que d’après des simulations, les courants ne se distribuent pas de façon homogène dans une structure parallèle. Pour tenter de répondre à cette problématique, nous présenterons des circuits parallèles dont les épaisseurs des jonctions qui le composent varient, permettant de cette façon de distribuer de façon mieux contrôlée les courants au sein du réseau.
Comme nous l’avons vu au chapitre 3, un grand nombre de circuits a été fabriqué. A cause de problèmes techniques tous les dispositifs conçus n’ont pas pu être caractérisés pendant la période de la thèse, cependant nous avons réussi à obtenir un grand nombre d’information qui nous permettront de dessiner le profil du réseau SQIF optimisé. Les résultats de ce chapitre ont été obtenus d’après les circuits d’un même wafer.