Заключение организации, где выполнялась диссертация (Сверхпроводящие квантовые решетки как широкополосные активные устройства)

УТВЕРЖДАЮЗам. декана физического факультета МГУ,профессорА.А.Федянин«___» ______________ 2015 г.МПЗАКЛЮЧЕНИЕФизический факультет Московского государственного университетаимени М.В. ЛомоносоваДиссертация «Сверхпроводящие квантовые решетки как широкополосные активныеустройства» выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроникиФизического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.В период подготовки диссертации соискатель Колотинский Николай Васильевичобучался в аспирантуре и работал в должности младшего научного сотрудника на кафедреатомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУимени М.В.

Ломоносова.В 2012 г. окончил Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова поспециальности «Физика».Удостоверение о сдаче кандидатских экзаменов выдано в 2015 г. Физическимфакультетом МГУ имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель – доктор физико-математических наук, профессор КорневВиктор Константинович, работает в должности профессора, кафедра атомной физики,физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ имениМ.В. Ломоносова.По итогам обсуждения принято следующее заключение:ДиссертацияН.В. Колотинскогопосвященаисследованиюдостижимыххарактеристик сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) на основе дифференциальныхквантовых ячеек и широкополосных активных устройств на основе таких СКР, в томчисле, широкополосных активных электрически малых антенн (ЭМА).

Циклисследований включает в себя как теоретический анализ исследуемых устройств, так иэкспериментальное изучение разработанных интегральных схем.Актуальность работы. Аналоговые и цифровые устройства сверхпроводниковойэлектроники, в основах физики которых лежат макроскопические квантовые эффекты всверхпроводниках, способны демонстрировать уникальные характеристики, недоступныедля полупроводниковой электроники. Очень высокое быстродействие и предельно низкаяэнергия переключения джозефсоновских элементов, а также предельно высокаячувствительность сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств, сквидов,на их основе с энергетическим разрешением близким к постоянной Планка h, открываютширокие возможности для разработки устройств, способных работать в более высокихдиапазонах частот сигналов, обеспечивающих более высокие скорости обработкиинформации и предельно высокую чувствительность.

Прогресс в области цифровыхустройств на основе быстрой одноквантовой логики, известной как RSFQ-логика, а такжевысокочувствительных широкополосных аналого-цифровых преобразователей (АЦП),открывает, в том числе, новые возможности в развитии технологий приема, обработки изащиты информации на основе широкополосных приемных систем с прямой оцифровкойвходного сигнала. В то же время, несмотря на рекордные достижениясверхпроводниковой электроники в области высокочувствительных устройств на основесквидов, предназначенных для низкочастотных применений (до ~1 МГц), созданиеширокополосных низкошумящих сверхпроводниковых активных устройств (усилителей,активных антенн) с большим динамическим диапазоном остается нерешенной, но крайневостребованной задачей, в том числе для развития информационных технологий на основеширокополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов.В настоящее время решение этой задачи связывается с использованием специальныхмногоэлементных джозефсоновских структур, получивших название сверхпроводящихквантовых решеток (СКР).

Поэтому данная работа, посвященная изучению достижимыххарактеристик СКР на основе дифференциальных квантовых ячеек и широкополосныхактивных устройств на основе таких СКР, в том числе, активных электрически малыхантенн (ЭМА), является крайне актуальной.Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены личноавтором, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялись:постановка задач; разработка ряда методов численного моделирования; конструированиеузлов экспериментальной установки; проведение экспериментов и интерпретацияполученных результатов.

Соискателем совместно с соавторами проводилась подготовкапубликаций и докладов на конференциях. Значительная часть результатов исследованийдокладывалась лично автором.Практическая ценность данной работы заключается в развитии физических основпостроения сверхпроводящих квантовых решеток (СКР) на основе дифференциальныхквантовых ячеек и широкополосных активных устройств на основе таких СКР, в томчисле, активных электрически малых антенн (ЭМА), и обосновании достижимыххарактеристик таких устройств.Полученные результаты могут быть использованы в инновационных компаниях,занятых разработкой сверхпроводниковой электроники и информационных технологий, ислужить основой для последующих опытно-конструкторских разработок в области новыхтехнологий приема, обработки, и защиты информации.

Разработка технологийширокополосного приема сигналов от многих различных источников с последующейпараллельной обработкой сигналов крайне востребована. Полученные результаты смогутнайти применение в разных системах беспроводной связи: в стационарных станцияхрадиосвязи, работающих с большим количеством источников сигналов разного уровня,для увеличения их производительности и «пропускной» способности,дляодновременного приема контента различного типа и назначения; в системах,реализующих технологии удаленного доступа к вычислительным центрам и «облачные»технологии хранения и обработки информации; а также в системах, реализующих новыепринципы функционирования систем защиты информации посредством программноопределяемой связи, в рамках которой частота и тип кодировки радиосигналаустанавливается динамически в широкой полосе частот, и в комплексах специальногоназначения.В диссертации получены следующие основные результаты:1.

Выполнен аналитический и численный анализ дифференциальных квантовыхячеек, направленный на оптимизацию параметров ячеек и режимов работы. Показано, чтоиспользование таких ячеек в основе сверхпроводящих квантовых решеток даетвозможность достижения линейности выходного напряжения в ненагруженном состояниидо 100 дБ.2.

Выполнено исследование влияния нагрузки на линейность выходного напряжениясверхпроводящей квантовой решетки как активного двухполюсного элемента. Показано,что влияние достаточно высокоомной нагрузки может быть в значительной степенискомпенсировано за счет коррекции тока смещения. Для достижения линейности науровне 90 дБ импеданс нагрузки должен на порядок превышать импеданс решетки.3.

Разработана стратегия оптимального сопряжения активной ЭМА с последующимиэлементами приемной системы с низким входным импедансом, такими каксверхпроводниковый аналого-цифровой преобразователь, импеданс которого составляетнесколько Ом. Необходимые меры включают в себя уменьшение импеданса антенны засчет структуры электрического соединения квантовых ячеек в решетке, а такжеиспользование сверхпроводящего трансформатора импеданса в интерфейсе сопряженияантенны.4. Выполнено изучение размерных эффектов в активной электрически малой антеннеи их влияния на линейность выходного сигнала. Показано, что наибольшее (на порядок)влияние оказывает эффект нарушения симметрии распределения магнитного потокасигнала в квантовой ячейке, которое возникает при распространении принимаемой волнывдоль цепочки джозефсоновских переходов ячейки.5.

Выполнено экспериментальное изучение прототипа активной электрически малойсверхпроводящей антенны площадью 4,3 мм х 4,3 мм на основе СКР, содержащей 588дифференциальных квантовых ячеек с оптимизированной топологией, подтверждающеерезультаты теоретических исследований. Получены размах линейного откликанапряжения, достигающий 90 мВ, и крутизна преобразования магнитной составляющейпринимаемого сигнала 7500 мкВ/мкТ, что дает прогнозную оценку чувствительностиантенны на уровне 3·10-14 Т/Гц1/2.Содержание диссертации полностью отражено в 10 публикациях, в том числе, в 6статьях в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, в которыхдолжны быть опубликованы основные результаты диссертаций.

По материаламдиссертации подана заявка на патент.Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:I. Статьи в журналах из Перечня ВАК[1] Kolotinskiy N., Kornev V., Sharafiev A., Soloviev I., Mukhanov O. Multielement Josephsonstructures for implementing broadband devices // Physics of Wave Phenomena. — 2013. — Vol.23, no. 4. — pp. 294–299.

doi:10.3103/S1541308X13040110.[2] Kornev V., Kolotinskiy N., Skripka V., Sharafiev A., Soloviev I., Mukhanov O. HighLinearity Voltage Response Parallel-Array Cell // Journal of Physics: Conference Series. —2014. — Vol. 507, no. 4. — p. 042018. doi:10.1088/1742-6596/507/4/042018.[3] Kornev V., Sharafiev A., Soloviev I., Kolotinskiy N., Mukhanov O. SuperconductingQuantum Arrays for Broadband RF Systems // Journal of Physics: Conference Series. — 2014.— Vol. 507, no. 4.

— p. 042019. doi:10.1088/1742-6596/507/4/042019.[4] Kornev V. K., Sharafiev A. V., Soloviev I. I., Kolotinskiy N. V., Scripka V. A., MukhanovO. A. Superconducting Quantum Arrays // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. —2014. — Vol. 24, no. 4. — p. 1800606.

doi:10.1109/TASC.2014.2318291.[5] Kornev V., Kolotinskiy N., Scripka V., Sharafiev A., Mukhanov O. Output power andloading of Superconducting Quantum Array // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.— 2015. — Vol. 25, no. 3. — p. 1602005. doi:10.1109/TASC.2014.2373036.[6] Sharafiev A., Kornev V., Kolotinskiy N., Mukhanov O. Microwave Dynamics ofSuperconducting Quantum Cell // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.