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Aplicaciones de un patrón de tensión
eléctrica basado en un dispositivo
multiunión Josephson programable
Angel Méndez Jaque
Aplicaciones de un patrón de tensión eléctrica basado en un dispositivos multiunión Josephson programable
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Índice
• 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
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Metrología a partir de constantes fundamentales
‹ 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
¾Efecto Josephson
¾Depende de carga electrón (e), cte Planck (h), tiempo
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El efecto Josephson
¾ El efecto Josephson es un fenómeno cuántico que
ocurre al situar dos materiales superconductores
separados por una fina capa de material aislante (pocos
nm).
¾ Estas condiciones hacen posible el paso de pares de
electrones a través del aislante por efecto túnel sin
generar resistencia ni disipación de calor.
¾ Aplicando una corriente de MW a la muestra podemos
obtener:
V=n
f
fh
=n
2e
K J− 90
Brian Josephson in 1962
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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 Josephson programables binarios
Dispositivos en fase de investigación, proy EMRP T4.J03 - JOSY
Son microchips cuyo diseño y fabricación emplea la tecnología más
avanzada y permite...
9Selección de valores de tensión de forma rápida y fiable.
9Cambio de valores de tensión de forma rápida.
9Alta estabilidad en el valor de tensión seleccionado
9Alta tolerancia al ruido eléctrico del circuito.
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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:
9 Adquisición y caracterización de un dispositivo programable binario
9 Aplicaciones del dispositivos en tensión continua
9 Aplicaciones en metrología de resistencia
9 Aplicaciones en tensión en corriente alterna.
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Adquisición y caracterización de un dispositivo programable binario
Caracterización y ensamblaje de los componentes:
z Fuente de polarización
z Dispositivo generador de Microondas
z Conjunto array superconductor + criosonda + cableado
z Software de control
Para ello ha sido necesario:
z Cambiar la frecuencia de microondas aplicadas → Cambiar el dispositivo
inicial
z Modificar el cableado de la criosonda para reducir efectos de transitorios de
tensión.
z Cambiar el software de control de la fuente de polarización
z Trabajar 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:
z Obtener valores cuantizados de tensión múltiplos de 0,154 mV hasta 1 V.
z Poder modificar el valor conseguido via software sin actuar sobre el
sistema experimental.
z Invertir el valor de tensión de forma rápida y fiable.
z Obtener ondas de tensión de baja frecuencia.
Pero
z A 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 Æ ajuste de cero de los
multímetros.
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V1
I = 50 μA
I = 50 μA
10 kΩ
10
kΩ
V2
xxxxxxxxxxxxxx
Aplicaciones en metrología de resistencia
Relacion Rhall - R patrón
1,290 598 54
1,290 598 53
1,290 598 52
Relación
(~12,906/10)
1,290 598 51
1,290 598 50
1,290 598 49
1,290 598 48
1,290 598 51
Std deviation:
4,31E-08
Nanovolt
uncertainty:
2,00E-07
1,290 598 47
1,290 598 46
1,290 598 45
1
9
17 25 33 41
49 57 65 73
81 89 97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185
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Aplicaciones en tensión alterna
La 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.
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 muestreador
digital 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
Estudio en profundidad de los dispositivos Josephson
programables, 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 potenciométrico
de medida de resistencias de relación.
Primeras medidas en tensión alterna.
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