Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 1389-1398 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:0198700220110138900

Modélisation du SQUID rf en réflectométrie : impédance à la fréquence de pompe, influence du bruit de fond

D. Robbes, C. Dubuc, J. Lepaisant et D. Bloyet

G.E.R.S.I.C., Institut des Sciences de la Matière et du Rayonnement, boulevard du Maréchal-Juin, 14032 Caen Cedex, France

Abstract
Energy exchanges between a rf SQUID with a Dayem microbridge and the tank circuit coil are viewed in terms of an equivalent impedance placed in series with the coil. This allows to characterize the matched configurations which notably differ from the classical probe. In our case the tank circuit is pumped at 80 MHz by an incident voltage wave and the reflected wave is synchronously detected. The harmonic analysis at the pumping frequency fP of the classical probe is stated precisely ; the method is valid for a large hysteretic mode of the rf SQUID, a weak coupling factor k and a large quality factor Q. The deduced staircase pattern Vrf - I rf is found discontinuous and eventually multiple-valued. A time analysis of the classical probe is also presented which gives consistent results without any restrictions on the parameters k, Q, fP values. The previous methods are then used to analyse the ideal and noisy running of the matched probe ; ideal curves are mainly distorted by the intrinsic noise of the microbridge. The deduced intrinsic fluctuations correspond to a spectral density of 1.1 x 10-5 Φ0/√Hz while external noises sources give rise to the final flux sensibility of 10-4 Φ0/√Hz. Optimization work states that for the matched probe, a large choice of k, Q parameters is allowable without improvement nor decrease of the signal to noise ratio.

Résumé
Les échanges d'énergie d'un circuit bouchon et d'un SQUID rf sont considérés dans cet article en termes d'impédance équivalente placée en série avec la bobine d'injection. L'analyse harmonique à la fréquence de pompe f P de la sonde classique attaquée en courant est d'abord précisée ; cette méthode, valide pour un SQUID largement hystérétique et faiblement couplé (k 1) à un circuit oscillant de coefficient de qualité Q 1, donne une réponse en tension qui varie de façon discontinue et parfois multivaluée en fonction du niveau radiofréquence. La sonde classique est ensuite analysée directement dans le domaine temporel pour des SQUIDs suffisamment hystérétiques sans restrictions sur les valeurs des paramètres k, Q, fP. Les résultats précédents sont appliqués au cas de la réflectométrie (fP = 80 MHz ) en régime idéal puis bruyant ; nous montrons que le bruit intrinsèque du micropont est responsable de la déformation des caractéristiques idéales tandis que les fluctuations intrinsèques déduites de cette déformation conduisent à une densité spectrale de 1,1 x 10 -5 Φ0/√Hz et sont toujours dominées par les fluctuations induites par les sources externes. La sensibilité de notre système est de 10-4 Φ0/√Hz. Les études d'optimisation montrent que la sonde adaptée autorise une grande souplesse dans le choix de k et Q sans amélioration ni détérioration notables du rapport signal sur bruit.

PACS
3240C - Superconducting junction devices.

Key words
electron device noise -- superconducting junction devices -- reflectometer -- RF impedance -- RF SQUID -- Dayem microbridge -- tank circuit coil -- equivalent impedance -- harmonic analysis -- pumping frequency -- hysteretic mode -- coupling factor -- quality factor -- matched probe -- intrinsic fluctuations -- external noises -- flux sensibility -- signal to noise ratio -- 80 MHz