[論文レビュー] A near-field scanning SQUID microwave microscope

Vladimir V. Talanov, N. Lettsome+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Near-Field Optical Microscopy参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、フラックス変調と二重ロックイン技術を組み合わせることで、50〜200 MHzの周波数範囲で、広帯域かつ高感度なRF磁界の検出を可能にする近接場スキャニングSQUIDマイクロスコープを提案する。77 Kで動作するYBa₂Cu₃O₇バイクリスタルSQUIDを用いることで、80 dBの線形ダイナミックレンジと200 MHzで4 μΦ₀/√Hzのフラックスノイズ密度を達成し、共面波ガイド、マイクロストリップ、表面実装型アンテナにおけるRF磁界の高分解能イメージングが可能になった。

ABSTRACT

We developed a scanning DC SQUID microscope with novel readout electronics capable of wideband sensing RF magnetic fields from 50 to 200 MHz and simultaneously providing closed-loop response at kHz frequencies. To overcome the 20 MHz bandwidth limitation of traditional closed-loop SQUIDs, a flux-modulated closed loop simultaneously locks the SQUID quasi-static flux and flux-biases the SQUID for amplification of the RF flux up to $Φ_0/4$ in amplitude. Demodulating the SQUID voltage with a double lock-in technique yields a signal representative of both the amplitude and phase of the RF flux. This provides 80 dB of a linear dynamic range with the flux noise density of 4 $μΦ_0/\sqrt{Hz}$ at 200 MHz for $YBa_2Cu_3O_7$ bi-crystal SQUID at 77 K. We describe the electronics performance and present images for RF magnetic field of the travelling wave in a coplanar waveguide, the standing wave in an open-circuited microstrip, and a surface mounted device antenna.

研究の動機と目的

• 50–200 MHzの周波数範囲で広帯域RF磁界検出が可能なスキャニングSQUIDマイクロスコープの開発。
• 従来のクローズドループSQUIDがRFセンシングにおいて20 MHzの帯域制限を克服すること。
• 近接場マイクロ波イメージングのためのRFフラックス検出において、高ダイナミックレンジと低ノイズを達成すること。
• 平面マイクロ波構造およびデバイスにおけるRFフィールドの定量的アンプリチュードおよび位相イメージングを可能にすること。
• 共面波ガイド、マイクロストリップ、表面実装型アンテナなどの実世界のRF部品における技術の実証。

提案手法

• DC SQUIDに新規の読み出し回路を統合し、50〜200 MHzの広帯域RFセンシングを実現。
• フラックス変調を用いて、SQUIDの準静的フラックスを同時にロックするとともに、RFフラックスを最大Φ₀/4まで増幅するためのバイアスを施す。
• 二重ロックイン技術により、SQUID電圧をデモジュレートし、RFフラックスのアンプリチュードおよび位相を抽出する。
• 帯域を20 MHzを超えて拡張するため、修正されたフラックスロックドループを用いたクローズドループフィードバック機構を採用。
• 熱的ノイズを低減し感度を向上させるために、YBa₂Cu₃O₇バイクリスタル構造を用いてSQUIDを77 Kで動作。
• SQUIDセンサを試料に近接して配置することで、局所的なRF磁界を検出する近接場スキャンを実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SQUIDベースのマイクロスコープは、200 MHzまでの高感度で広帯域RF磁界検出が可能か？
• RQ2 従来のクローズドループSQUIDの20 MHz帯域制限を、RF用途でどのように克服できるか？
• RQ3 アンプリチュードおよび位相の両方が、高ダイナミックレンジと低ノイズで同時に測定可能か？
• RQ4 200 MHzにおける近接場SQUIDマイクロスコープの実現可能なフラックスノイズ密度とダイナミックレンジはどの程度か？
• RQ5 このシステムは、平面マイクロ波構造および電子デバイスにおける複雑なRFフィールドパターンを解像し、イメージング可能か？

主な発見

• 200 MHzで4 μΦ₀/√Hzのフラックスノイズ密度を達成し、マイクロ波帯域における高感度を実証。
• 80 dBの線形ダイナミックレンジを達成し、飽和を伴わずに弱い信号と強い信号の両方を検出可能。
• フラックス変調を施したクローズドループ技術により、標準的なSQUID構成の20 MHz制限を超えた有効な帯域拡張に成功。
• 共面波ガイドにおける進行波のイメージングに成功し、構造に沿って一貫した位相進みを示した。
• 開放端を持つマイクロストリップでは定常波パターンが明確に解像され、アンプリチュードおよび位相検出の正確性を確認。
• 表面実装型デバイスアンテナは波長未満の分解能でイメージングされ、局所的なRFフィールド分布が明らかになった。