Автореферат (Сверхпроводящие квантовые решетки как широкополосные активные устройства)

На правах рукописиКолотинский Николай ВасильевичСверхпроводящие квантовые решетки как широкополосныеактивные устройства01.04.04 – физическая электроникаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2015.Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники Физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»Научный руководитель:Корнев Виктор Константиновичдоктор физ.-мат.

наук, профессор кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроникиФизического факультета МГУ имени М.В. ЛомоносоваОфициальные оппоненты:Тарасов Михаил Александровичдоктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник Института радиотехники и электроники(ИРЭ) им. В.А.Котельникова РАНСеменов Александр Владимировичкандидат физ.-мат. наук, доцент Института физики, технологии и информационных систем Московского педагогического государственного университета (МПГУ)Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Физико-технологический институт Российской академии наук» (ФТИАН)Защита диссертации состоится «7» апреля 2016 года в 17 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.В.

Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 2, Физический факультет МГУ.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В. Ломоносова и на сайтах: http://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/ и http://istina.msu.ru/dissertations/12332730/.Автореферат разослан «5» февраля 2016 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66, к.ф.-м.н.И.Н.

КарташовОбщая характеристика диссертационной работыДиссертационная работа посвящена исследованию достижимых характеристик сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) на основе дифференциальных квантовых ячеек, а также изучению широкополосных активных устройств,реализованных на базе СКР, в том числе активных электрически малых антенн(ЭМА).Актуальность работыАналоговые и цифровые устройства сверхпроводниковой электроники, воснове физики которых лежат макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках, обладают уникальными характеристиками, недоступными дляполупроводниковой электроники. Высокое быстродействие и предельно низкаяэнергия переключения джозефсоновских элементов EJ = Φ0 IC =2·10−15 Вб×10−4 А ≈ 10−18 Дж, а также исключительно высокая чувствительность сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств, сквидов (англ.: SQUID– Superconducting Quantum Interference Device) на основе джозефсоновских переходов с энергетическим разрешением порядка 10−32 Дж/Гц (то есть близким к постоянной Планка h) открывают широкие возможности для разработкиустройств, способных работать в верхних диапазонах частот сигналов, обеспечивающих высокие скорости обработки информации и предельно высокуючувствительность.Прогресс в области цифровых устройств на основе быстрой одноквантовойлогики, известной как RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum logic) [1–3], атакже высокочувствительных широкополосных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) [4–7], открывает, в том числе, новые возможности в развитиитехнологий приема, обработки и защиты информации на основе широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой входного сигнала [8–15].В то же время, несмотря на рекордные достижения сверхпроводниковойэлектроники в области высокочувствительных устройств, построенных на основе сквидов и предназначенных для использования в диапазоне низких частот(до ∼ 1 МГц), создание широкополосных низкошумящих сверхпроводниковыхактивных устройств (усилителей, активных антенн) высокочастотного диапазона (до 10 ГГц) с большим динамическим диапазоном остается нерешенной, но3крайне востребованной задачей.В настоящее время решение этой задачи связывается с использованием специальных многоэлементных джозефсоновских структур, получивших названиесверхпроводящих квантовых решеток (СКР).

Поэтому данная работа, посвященная изучению достижимых характеристик СКР на основе дифференциальных квантовых ячеек и широкополосных активных устройств, реализованныхна базе СКР, в том числе активных электрически малых антенн (ЭМА), является крайне актуальной.Цель работыЦелью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование достижимых характеристик сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) на основе дифференциальных квантовых ячеек, изучение широкополосных активных устройств, реализованных на базе СКР, в том числе активных электрически малых антенн (ЭМА), а также разработка и реализацияпрототипа активной ЭМА на основе тонкопленочной ниобиевой технологииинтегральных схем.Научная новизна1. Разработаны и применены методы многопараметрического анализа и оптимизации многоэлементных джозефсоновских устройств с высокой линейностью характеристик до 100 дБ, к которым относятся изучаемые в диссертационной работе сверхпроводящие квантовые ячейки.2.

Впервые рассмотрена задача анализа влияния нагрузки на линейностьхарактеристик квантовых ячеек, а также достижимой степени и условий компенсации этого воздействия.3. Исследована и сформулирована стратегия решения задачи построенияинтерфейса, мало возмущающего характеристики активной сверхпроводящейантенны при ее сопряжении с низкоомными устройствами.4. Впервые изучены размерные эффекты в активных сверхпроводящихэлектрически малых антеннах и их влияние на линейность выходного сигнала антенны за счет фазового сдвига входных сигналов в плечах дифференциальных квантовых ячеек и нарушения симметрии распределения магнитногопотока внутри квантовых ячеек.45. Реализован и исследован прототип активной электрически малой антенны бестрансформаторного типа с общим числом дифференциальных квантовых ячеек 588. Достигнуты значения крутизны линейного преобразования магнитного сигнала в напряжение 8000 мкВ/мкТ с размахом отклика напряжениядо 100 мВ.Практическая ценность работыПрактическая ценность данной работы заключается в развитии физическихоснов построения сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) на основе дифференциальных квантовых ячеек, а также в изучении широкополосных активных устройств, реализованных на базе СКР, в том числе активных электрически малых антенн (ЭМА), и обосновании достижимых характеристик такихустройств.Полученные результаты могут быть использованы при разработке сверхпроводниковой электроники и информационных технологий и служить основой для последующих опытно-конструкторских разработок в области приема,обработки и защиты информации.

Разработка технологии приема большого числа сигналов от различных источников с последующей параллельной обработкой сигналов является актуальной, и результаты исследования смогут найтиширокое применение в разных системах беспроводной связи:— в стационарных станциях радиосвязи, работающих с большимколичеством источников сигналов разного уровня, для увеличения ихпроизводительности и «пропускной» способности, для одновременногоприема контента различного типа и назначения;— в системах, реализующих задачи удаленного доступа к вычислительнымцентрам и «облачные» технологии хранения и обработки информации;— в системах, реализующих новые принципы функционирования системзащиты информации посредством программно-определяемой связи, врамках которой частота и тип кодировки радиосигнала устанавливается динамически в широкой полосе частот;— в программно-аппаратных комплексах специального назначения.5Достоверность результатовДостоверность результатов, приведенных в диссертации, подтверждаетсятем, что они были получены автором с использованием современных математических методов, вычислительных средств и программного обеспечения, а также современных технологий и экспериментального оборудования.

Численныйанализ сосредоточенных джозефсоновских структур проводился с использованием программного обеспечения PSCAN, являющегося одним из наиболее эффективных программных пакетов для численного моделирования сверхпроводниковых схем [16]. Полученные результаты находятся в соответствии с имеющимися литературными данными. Теоретические результаты подтвержденыэкспериментальными исследованиями, выполненными автором на измерительном оборудовании фирмы Hypres (США), а также опубликованными результатами других независимых исследований, в том числе результатами публикаций [17, 18].Личный вклад автораВсе результаты, представленные в диссертационной работе, получены лично автором, либо при его непосредственном участии.

Автором осуществлялись:разработка ряда методов численного моделирования; конструирование узловэкспериментальной установки; проведение экспериментов и интерпретация полученных результатов; совместно с научным руководителем была поставленанаучная задача. Соискателем совместно с соавторами проводилась подготовка публикаций и докладов на конференциях. Значительная часть результатовисследований докладывалась лично автором.Апробация и публикация результатов работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах, таких как:— Всероссийская научно-техническая конференция «МикроэлектроникаСВЧ», Санкт-Петербург, Россия, 4–12 июня 2012 г.;— Международная конференция «Микро- и наноэлектроника – 2012», Звенигород, Россия, 1–5 октября 2012 г.;— XIV Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн»(«Волны-2013»), Можайск, Россия, 20–25 мая 2013 г.;6— 14-ая Международная конференция по сверхпроводниковой электронике (14th International Superconducting Electronics Conference, ISEC-2013),Кембридж, Массачусетс, США, 7–11 июля 2013 г.;— Европейская школа для молодых ученых «Новые тенденции в сверхпроводниковых квантовых детекторах» (“New Trends with SuperconductingQuantum Detectors”), Генуя, Италия, 9–13 сентября 2013 г.;— 11-ая Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости(11th European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS-2013),Генуя, Италия, 15–19 сентября 2013 г.;— 12-ая Международная конференция по наноструктурированным материалам (XII International Conference on Nanostructured Materials, NANO2014), Москва, Россия, 13–18 июля 2014 г.;— Международная конференция по прикладной сверхпроводимости (Applied Superconductivity Conference, ASC-2014), Шарлотт, Северная Каролина, США, 10–15 августа 2014 г;— 15-ая Международная конференция по сверхпроводниковой электронике (15th International Superconducting Electronics Conference, ISEC-2015),Нагоя, Япония, 6–9 июля 2015 г.;— 12-ая Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости(12th European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS-2015),Лион, Франция, 6–10 сентября 2015 г.;— Итоги реализации в 2015 году ПНИЭР по приоритетным направлениям врамках ФЦП «Исследования и разработки 2014 – 2020», Москва, Россия,2–4 декабря 2015 г.По материалам диссертации было опубликовано 9 статей, из них 6 [A1–A6]в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, в которыхдолжны быть опубликованы основные результаты диссертаций, и входящих вмеждународные реферативные базы данных и системы цитирования Scopus иWeb of Science.