Многоэлементные джозефсоновские структуры для реализации высоколинейных широкополосных устройств

На правах рукописиШарафиев Алексей ВладимировичМногоэлементные джозефсоновские структурыдля реализации высоколинейныхширокополосных устройств01.04.04 – физическая электроникаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы имикроэлектроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физ.-мат. наук, профессор кафедрыатомной физики, физики плазмы и микроэлектроники Физического факультетаМГУ Корнев Виктор КонстантиновичОфициальные оппоненты:доктор физ.-мат. наук, ведущий научныйсотрудник Института радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН Тарасов МихаилАлександровичкандидат физ.-мат. наук, доцент кафедрыобщей экспериментальной физики Московского педагогическогогосударственного университета (МПГУ) Корнеев Александр АлександровичВедущая организация:Физико-технологическийинститутРАН,МоскваЗащита диссертации состоится «3» октября 2013 года в 16 часов 30 минут назаседаниидиссертационногосоветаД 501.001.66приМосковскомгосударственном университете имени М.

В. Ломоносова по адресу: 119991,Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд..С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ. В. Ломоносова.Автореферат разослан «26» августа 2013 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66, к. ф.-м. н.И. Н. КарташовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа посвящена изучению физических основ созданиямногоэлементных джозефсоновских структур, в которых увеличение динамическогодиапазона обеспечивается увеличением числа элементарных ячеек, а требуемая высокаялинейность функции преобразования магнитного сигнала (магнитной компонентыэлектромагнитного сигнала) в напряжение достигается за счет использованияспециально разработанных ячеек с высоколинейным откликом напряжения.

Такиеструктуры могут быть использованы для создания активных высокочувствительныхширокополосных устройств, включая усилители и активные электрически малыеантенны.Актуальность темыИспользование макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках,позволяет создавать аналоговые и цифровые устройства с характеристиками,недоступными для полупроводниковой электроники. Высокое быстродействие, высокаячувствительность,предельнонизкаяэнергияпереключенияджозефсоновскихэлементов EJ = 0IC = 2∙10-15 Вб х 10-4 А = 2·10-19 Дж открывают большие перспективыдля разработки устройств, которые способны работать в более высоких диапазонахчастот сигналов, обеспечивать более высокие скорости обработки информации ипредельно высокую чувствительность.

Так, на основе сверхпроводящих квантовыхинтерферометров, или сквидов (англ.: SQUID – Superconducting Quantum InterferenceDevice), которые имеют энергетическое разрешение порядка 10-30…10-32 Дж/Гц, то естьблизкое к постоянной Планка h, созданы высокочувствительные магнитометры,нашедшие применение в магнитокардиографии, магнитоэнцефалографии, геофизике,устройствах неразрушающего контроля металлических конструкций и многих другихприложениях.Прогресс в области цифровых устройств на основе быстрой одноквантовойлогики, известной как RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum logic) и допускающейтактовые частоты до 100 ГГц и выше, характеризуется созданием полностьюсверхпроводниковыхпроцессоров[1, 2],атакжевысокочувствительныхширокополосных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), открывающих новыевозможности в развитии технологий приема, обработки и защиты информации наоснове широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой входного сигнала.3Наиболее активно широкополосные приемные системы с прямой оцифровкойвходного сигнала разрабатываются в научных центрах США и Японии [3]-[12],известных своими достижениями в области цифровых устройств на основе быстройодноквантовой логики и широкополосных АЦП.

Для сверхпроводниковых АЦП,реализованных с использованием современной ниобиевой технологии, в гигагерцовомдиапазоне частот были продемонстрированы предельно низкая шумовая температура,крайне высокая линейность и динамический диапазон до 90 дБ [10], [13]-[15]. Однако внастоящее время общая эффективность разрабатываемых широкополосных приемныхсистем ограничивается антенной и следующим за ней усилителем, имеющими болеевысокую шумовую температуру, более низкую линейность и меньший динамическийдиапазон по сравнению со сверхпроводниковыми АЦП.Несмотря на рекордные достижения сверхпроводниковой электроники в областивысокочувствительныхустройствнаосновесквидов,предназначенныхдлянизкочастотных применений (до ~1 МГц), создание широкополосных низкошумящихсверхпроводниковых усилителей с большим динамическим диапазоном остаетсянерешенной, но крайне востребованной задачей. В низкочастотных устройствах наоснове сквидов, обладающих высокой чувствительностью, но в то же время, оченьмалым динамическим диапазоном и ограниченной линейностью, высокая линейность ибольшой динамический диапазон достигаются за счет использования внешней цеписледящей обратной связи [16].

В широкополосных устройствах реализовать такую цепьэффективной обратной связи не представляется возможным, и поэтому достижениетребуемыххарактеристикширокополосныхсверхпроводниковыхустройстввнастоящее время связывается с необходимостью использования многоэлементныхджозефсоновских структур. Поэтому данная работа, посвященная изучению такихмногоэлементных систем, является весьма актуальной.Цель диссертационной работы.Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное изучениефизических основ построения многоэлементных джозефсоновских структур с высокойлинейностью преобразования магнитного сигнала в напряжение для создания на ихоснове активных широкополосных систем, в частности, активных электрически малыхантенн.4Научная новизна.Впервые получены следующие результаты:1.

Предложен новый элемент - би-сквид. Выполнен анализ условий линейности откликанапряжения, выполнены расчет и сопоставление шумовых характеристик би-сквида схарактеристиками традиционных сквидов.2. Экспериментально исследованы характеристики последовательных цепочек бисквидов;полученыоткликинапряжениянамагнитныйсигналсразмахом,достигающим 8 мВ.3.Экспериментальноисследованыхарактеристикипоследовательныхцепочекдифференциальных ячеек, состоящих из двух элементарных параллельных цепочек свзаимно противоположным магнитным смещением.

Получены отклики напряжения намагнитный сигнал, характеризующиеся размахом до 20 мВ и линейностью 60 дБ.4. Экспериментально исследованы характеристики прототипов активных электрическималых антенн трансформаторного типа размером 3,3 на 3,3 мм на основе цепочекдифференциальных ячеек. Получены крутизна преобразования магнитного сигнала внапряжение 750 мкВ/мкТ и линейность преобразования 70 дБ.5.

Экспериментально исследованы характеристики прототипов бестрансформаторныхактивных электрически малых антенн размером 3,3 на 3,3 мм на основе решетокдифференциальных ячеек. Получена крутизна преобразования магнитного сигнала внапряжение 6500 мкВ/мкТ.Практическая ценность работы.Проведеннымэффективностьвдиссертационнойпредложенногоработерешенияисследованиемзадачисозданияподтверждаетсянизкошумящихширокополосных сверхпроводниковых устройств, включая активные электрическималые антенны, посредством использования специального вида многоэлементныхджозефсоновских структур – сверхпроводящих квантовых решеток.В процессе выполнения работы был предложен и изучен теоретически иэкспериментально новый элемент сверхпроводниковой электроники - би-сквид,способный обеспечивать высокую линейность преобразования магнитного сигнала внапряжение.Разработаны принципы построения многоэлементных джозефсоновских структурна основе би-сквидов и дифференциальных ячеек с использованием ниобиевойпленочной технологии для создания электрически малых антенн активного типа,5осуществляющих одновременно прием и усиление электромагнитных сигналов.Предложены и реализованы прототипы таких антенн, как с использованиемсверхпроводящего трансформатора магнитного потока, так и бестрансформаторноготипа.Полученные результаты могут быть использованы в передовых исследовательскихцентрах и компаниях, занятых разработкой сверхпроводниковой электроники иразвитием технологий приема, обработки и защиты информации, и служить основойдля последующих опытно-конструкторских разработок в области высокоэффективныхширокополосных приемных устройств с прямой оцифровкой входного сигнала.Достоверность результатовДостоверность результатов, приведенных в диссертации, подтверждается тем,что они были получены автором с использованием современных математическихметодов, вычислительных средств и программного обеспечения, а также современныхтехнологий и экспериментального оборудования.