отзыв оппонента Семенова (Сверхпроводящие квантовые решетки как широкополосные активные устройства)

Отзыв официального оппонента на диссертационную работу Колотинского Николая Васильевича "Сверхпроводящие квантовые решетки как широкополосные активные устройства"„ представленную на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 — физическая электроника Диссертационная работа Колотинского Николая Васильевича выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию активных радиоэлектронных устройств на основе решеток, построенных из дифференциальных квантовых ячеек. Тематика работы актуальна как для фундаментальных исследований, так и для приложений. Приборы на джозефсоновских переходах — магистральное направление в современной сверхпроводниковой электронике.

Цифровые устройства на основе быстрой одноквантовой логики демонстрируют исключительно высокую чувствительность и быстродействие до 40 ГГц в сочетании с низким энергопотреблением на операцию. Прогресс технологии позволяет в настоящее время создавать микросхемы, содержащие десятки тысяч джозефсоновских переходов. Появление принципиально новых устройств и подходов в джозефсоновской электронике, таких как, например, искусственные квантовые системы на основе сверхпровдниковых искусственных атомов, демонстрирует высокую жизнеспособность этого направления. Одним из выдающихся достижений джозефсоновской электронки являются малошумящие аналогово-цифровые преобразователи с полосой от низких частот до десятков ГГц и динамическим диапазоном более 90 дБ. Объединение их с широкополосным антенным трактом позволило бы создать широкополосные приемные системы с прямой оцифровкой сигнала, чрезвычайно востребованные современными технологиями передачи информации по беспроводным сетям. Поэтому исследование возможности создания широкополосных активных приемных устройств на элементной базе цепочек джозефсоновских переходов, предпринятое автором диссертации, весьма актуально и практически значимо, Диссертация состоит из вводного раздела «Общая характеристика диссертационной работы», пяти глав„заключительного раздела <<Выводы диссертационной работы», списка публикаций автора, списка литературы и двух приложений.

В разделе «Общая характеристика диссертационной работы» обоснована актуальность диссертационной работы; сформулированы цели исследования; перечислены полученные новые результаты, обоснована их достоверность, описаны их практическая значимость, вклад автора в их получение и их представление научному сообществу. Первая глава диссертации является вводной, она содержит обзор литературы и описание методов исследования.

В ней приводятся основные сведения об эффекте Джозефсона, записаны уравнения КБСХ-модели, описаны 1- и 2-х контактный СКВИДы. Приводятся основные сведения о сверхпроводниковой цифровой электронике на базы быстрой одноквантовой логики (КАТРЯ), Перечислены основные современные достижения, в том числе — создание широкополосных аналогово-цифровых преобразователей с большим динамическим диапазоном. Обосновывается необходимость создания широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигнала на основе многоэлементных джозеф соновских структур. Далее сформулирована концепция сверхпроводящих квантовых решеток — периодических структур из би-СКВИДов или дифференциальных квантовых ячеек.

Описаны дифференциальная квантовая ячейка и сверхпроводящий квантовый интерференционный фильтр (СКИФ). В конце главы поставлена основная задача диссертационного исследования - разработка физических основ использования макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках для создания высокочувствительных широкополосных активных устройств приема и усиления сигналов - и выделены ее составные части.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию линейности отклика дифференциальной квантовой ячейки. Ввиду большого ожидаемого значения линейности, для аккуратного учета нелинейных искажений потребовалась разработка специального алгоритма, Исследовано влияние точности задания рабочей точки на линейность отклика, оказавшееся весьма сильным. Для уменьшения этого эффекта предлагается использовать цепочки с нерегулярным заданием площадей. Описаны методы оптимизации параметров ячейки и режимов работы.

В частности, учет конечных индуктивностей переходов приводит к непараболичности начального участка вольт- потоковой характеристики плеча ячейки и, соответственно, нелинейности отклика ячейки, Для исключения этого участка, предлагается смещать ячейку током, несколько большим критического, при этом получено оптимальное значение этого превышения на уровне 4-6 '4. Показано, что при практически реализуемых параметрах ячеек может быть достигнута линейность преобразования магнитного потока в напряжение порядка 100 дБ и выше.

В третьей главе диссертации исследуется линейность отклика дифференциальной квантовой ячейки в условиях подключения к ней полезной нагрузки. Как показано расчетами автора, при подключении нагрузки линейность отклика, вообще говоря, существенно уменьшается. Для сохранения высокой линейности необходимо существенное (не менее порядка величины) превышение импеданса нагрузки над импедансом ячейки. Поскольку импеданс нагрузки, как правило, задан, в качестве решения предлагается последовательное соединение ячеек и параллельное соединение блоков ячеек. то есть использование сверхпроводящей квантовой решетки, Четвертая глава посвящена теоретическому исследованию влияния размерных эффектов на линейность отклика активной антенны на основе сверхпроводящей квантовой решетки, возникающих из-за ненулевого размера решетки по сравнению с длиной волны регистрируемого электромагнитного сигнала.

Исследованы случаи различной ориентации решетки относительно поля волны. Обсуждается размерный эффект в антеннах с трансформатором потока. Также приведены расчеты диаграммы направленности предлагаемой антенны. В пятой главе описывается эксперимент с прототипом активной антенны на основе сверхпроводящей квантовой решетки из дифференциальных квантовых ячеек. Прототип, содержащий в общей сложности 588 ячеек, был изготовлен на чипе размерами 5 мм х 5 мм по стандартной ниобиевой технологии (с плотностью критического тока джозефсоновских переходов 4,5 кА/см ) фирмой НУРКЕЯБ. Дизайн микросхемы был целиком разработан МГУ при непосредственном участии автора.

Измерения проводились автором на оборудовании фирмы- изготовителя, также автором был разработан и изготовлен специальный держатель образца. Измерения состояли в снятии вольт-амперных и вольт-потоковых характеристик прототипа при приложении постоянного магнитного потока. Продемонстрирована вольт-ваттная чувствительность 8000 мкВ/мкТл и размах отклика напряжения до 100 мВ. На основании этих результатов, автором дана оценка чувствительности антенны на уровне 3 х 10 '~ Тл/Гц Заключительный раздел содержит основные выводы диссертационной работы. В приложения вынесено описание численных методов анализа линейности отклика дифференциальных квантовых ячеек и электродинамических расчетов трехмерных сверхпроводниковых структур, В качестве замечаний можно указать следующее.

1, В качестве одного из ключевых достоинств предлагаемой активной антенны на основе ячеек джозефсоновских переходов, автором заявлена широкополосность отклика (частотный диапазон от нуля до 10 ГГц). В то же время, как первые две теоретические главы диссертации, так и экспериментальная глава имеют дело фактически с откликом на постоянный магнитный сигнал. Ненулевая частота учитывается лишь при рассмотрении вопросов, связанных с размерными эффектами, но фактически учитывается просто пространственная неоднородность магнитного поля.

Остается неясным, насколько выводы о достижимости высокой линейности отклика и конкретные рекомендации по оптимизации параметров ячеек остаются справедливыми для интересных с точки зрения применений частот ГГц диапазона. 2. Нелинейных искажения вольт-потокового отклика дифференциальной квантовой ячейки учитываются членами 4-го и 6-го порядка по потоку. Минимизируя их суммарный вклад, автор находит оптимальные условия по смещению ячейки, Однако не обсуждаются основания, на которых отброшены члены 8-го н более высокого порядка, т,е.

не обосновано, что их учет не должен приводить к каким-либо существенным изменениям 3. В расчетах не учитывается влияние возможного и технологически неизбежного разброса параметров джозефсоновских переходов на линейность отклика дифференциальной квантовой ячейки. В то же время, представляется, что это влияние может быть не меньшим, чем тщательно изученный автором размерный эффект. 4.

Утверждение об отсутствии размерного эффекта в трансформаторной антенне с одним общим трансформатором потока представляется слишком сильным. В условиях, когда необходимо учитывать поправки из-за ненулевого размера структуры в сравнении с длиной волны, поле, созданное трансформатором, также не может считаться заведомо однородным, как по амплитуде напряженности магнитной составляющей, так и по фазе.