Aplicaciones de un patrón de tensión eléctrica basado en un dispositivo multiunión Josephson programable

Angel Méndez Jaque

1/16Aplicaciones de un patrón de tensión eléctrica basado en un dispositivos multiunión Josephson programable

• Patrones cuánticos de tensión• Nuevos dispositivos Josephson programables (BJPD)• Estudio de las aplicaciones de BJPD en el CEM

– Aplicaciones en Tensión en corriente continua– Medidas de relación de resistencias– Aplicaciones en Tensión en corriente alterna

• Conclusiones

Índice

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Metrología a partir de constantes fundamentales

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Menos incertidumbres Más repetibilidad en la representación de la magnitud

Eliminar la dependencia con valores mensurables

Dependencia de valores fundamentales de la naturaleza

En Metrología de tensión

Efecto JosephsonDepende de carga electrón (e), cte Planck (h), tiempo

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El efecto JosephsonEl efecto Josephson es un fenómeno cuántico queocurre al situar dos materiales superconductoresseparados por una fina capa de material aislante (pocosnm).

Estas condiciones hacen posible el paso de pares de electrones a través del aislante por efecto túnel sin generar resistencia ni disipación de calor.

Aplicando una corriente de MW a la muestra podemosobtener:

Brian Josephson in 1962

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V=n fh2e =n f

K J− 90

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Dispositivos tradicionales de tensión Josephson

• Se usan como patrones cuánticos de tensión con incertidumbres de < nV/V• Actualmente generan hasta 10 V de tensión (de 0,1 a 10 V)• Patrón nacional de tensión con menor incertidumbre.

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Inconvenientes de este tipo de array Josephson

• El número de escalón no puede modificarse de forma rápida• Pueden producirse saltos aleatorios de escalón.• Conveniente que todas las uniones se sitúen en un número aproximado de escalón

Son buenos dispositivos para calibrar patrones de continua multímetros de alta precisión en valores superiores a 1 V

No funcionan en aplicaciones que requieran de cambios rápidos de tensión

¡¡¡No pueden generar una onda de tensión!!!

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Dispositivos en fase de investigación, proy EMRP T4.J03 - JOSY

Son microchips cuyo diseño y fabricación emplea la tecnología más avanzada y permite...

Selección de valores de tensión de forma rápida y fiable.Cambio de valores de tensión de forma rápida.Alta estabilidad en el valor de tensión seleccionadoAlta tolerancia al ruido eléctrico del circuito.

Dispositivos Josephson programables binarios

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El presente proyecto persigue el estudio de estos dispositivos y de sus aplicaciones en metrología eléctrica.

Podemos dividir el proyecto en las siguientes fases:Adquisición y caracterización de un dispositivo programable binarioAplicaciones del dispositivos en tensión continuaAplicaciones en metrología de resistenciaAplicaciones en tensión en corriente alterna.

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Adquisición y caracterización de un dispositivo programable binario

Caracterización y ensamblaje de los componentes:Fuente de polarizaciónDispositivo generador de MicroondasConjunto array superconductor + criosonda + cableadoSoftware de control

Para ello ha sido necesario:Cambiar la frecuencia de microondas aplicadas → Cambiar el dispositivo inicialModificar el cableado de la criosonda para reducir efectos de transitorios de tensión.Cambiar el software de control de la fuente de polarizaciónTrabajar con una fuente de corriente como alternativa a la fuente de polarización

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Adquisición y caracterización de un dispositivo programable binario

Finalmente se ha conseguido:Obtener valores cuantizados de tensión múltiplos de 0,154 mV hasta 1 V.Poder modificar el valor conseguido via software sin actuar sobre el sistema experimental.Invertir el valor de tensión de forma rápida y fiable.Obtener ondas de tensión de baja frecuencia.

PeroA pesar de haber reajustado el array superconductor y modificado el cableado no se ha conseguido eliminar o reducir los suficiente los transitorios de tensión entre escalones.

Limitaciones en la onda de tensión generada

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Antes de los ajustes Después de los ajustes

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Aplicaciones en tensión continua

• Calibración con incertidumbres del orden de 10 nV/V de multímetros y calibradores.

• Rangos a partir de 150 mV hasta 1 V.

• Calibración de la linealidad de nanovoltímetros.

• Comparación de con el patrón Josephson convencional ajuste de cero de los

multímetros.

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Aplicaciones en metrología de resistencia

Relacion Rhall - R patrón

1,290 598 45

1,290 598 46

1,290 598 47

1,290 598 48

1,290 598 49

1,290 598 50

1,290 598 51

1,290 598 52

1,290 598 53

1,290 598 54

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185

xxxx

xxx

xxxx

xxx

10 kΩI = 50 μA

V1

V2

I = 50 μA 10 kΩ

2,00E-07Nanovoltuncertainty:

4,31E-08Std deviation:

1,290 598 51Relación (~12,906/10)

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Aplicaciones en tensión alternaLa onda alterna obtenida por efecto Josephson permite controlar su amplitud y su fase, con lo que puede usarse como patrón de tensión a baja frecuencia.

Se necesita conocer con exactitud el valor eficaz de la onda.

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Necesaria una transición entre escalones que no afecte al valor final

La calidad de nuestra onda no nos lo permite

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Se han hecho comparaciones con patrones de transferencia y con el muestreadordigital del nuevo patrón de potencia sin poder llegar a resultados concluyentes debido al efecto de los transitorios.

Es necesario un array que reduzca el efecto de los transitorios o un diseño de un muestreador capaz de eliminar los valores fuera del escalón.

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Conclusiones

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Estudio en profundidad de los dispositivos Josephsonprogramables, principal línea de investigación en metrología de tensión.

Puesta en marcha de un método de medida de linealidad de multímetros y calibradores, disminuyendo la incertidumbre existente y el rango de medida.

Puesta en marcha de un nuevo método potenciométricode medida de resistencias de relación.

Primeras medidas en tensión alterna.

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