Исследование динамических процессов в джозефсоновских устройствах сверхпроводниковой электроники (1097559), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Изучениефизическихусловийипроцессовсинхронизацииджозефсоновскойгенерации в многоэлементных джозефсоновских структурах с сосредоточенными ираспределенными цепями электродинамической связи. Исследование механизмов сужениялинии синхронной генерации в многоэлементных структурах и анализ предельной ширинылинии генерации.6. Изучение джозефсоновских структур с нетривиальной ток-фазовой зависимостью.Разработка и применение модели на основе многоэлементной структуры из “0” и “π”джозефсоновскихконтактовдляанализахарактеристикбикристаллическихджозефсоновских структур на основе высокотемпературных сверхпроводников. Развитиеаналитической теории формирования ступеней Шапиро и детекторного отклика.
Изучениехарактеристик “тихого” фазового кубита, анализ времени декогерентности и механизмовосуществления логических операций.7. Исследованиединамическихпроцессоввмногоэлементныхджозефсоновскихструктурах и разработка физических основ создания высокоэффективных выходныхусилителей импульсных сигналов быстрой одноквантовой логики. Разработка интегральнойсхемыдляэкспериментальнойпроверкиразработаннойконцепцииусилителяодноквантовых импульсов. Разработка физических основ построения высоколинейныхусилителей аналоговых сигналов гигагерцового диапазона частот.Научная новизна работыРазвиты методы теоретического и экспериментального исследования многоэлементныхджозефсоновских структур и устройств на их основе:(а) Разработан эффективный метод моделирования флуктуационной компоненты тока,позволяющий использовать переменный шаг численного интегрирования уравненийдинамики сверхпроводниковых цепей, а также высокоэффективный метод расчета спектраджозефсоновской генерации, основанный на использовании алгоритма авторегрессионногофильтра высокого порядка p ~ 100.
Разработанные методы были реализованы в рамкахвысокоэффективногодинамикипрограммного пакета PSCAN для численного моделированиямногоэлементныхджозефсоновскихструктурианализаспектральныххарактеристик.(б) Разработан быстродействующий электронный аналог джозефсоновских переходов исверхпроводящих квантовых интерферометров, позволяющий выполнять моделированиединамики многоэлементных джозефсоновских структур с точностью ~1% и аналоговымзначением характерной джозефсоновской частоты до 100 кГц.6(в)Разработанмногоканальныйавтоматизированныйизмерительныйстенддляэкспериментального исследования джозефсоновских интегральных схем и устройств.С помощью развитых методов исследования получены следующие новые результаты.1.
Впервые проведено изучение хаотических процессов в одно- и двухконтактномсверхпроводящих квантовых интерферометрах. Показано, что в отсутствие постояннойсоставляющей приложенного внешнего магнитного потока, в этих устройствах всегда имеетместо предшествующее хаосу спонтанное нарушение симметрии процессов, котороесопровождается появлением постоянной составляющей джозефсоновской фазы.
Показанотакже, что основная роль дополнительных степеней свободы, возникающих при переходе отодноконтактного к двухконтактному интерферометру, заключается лишь в снятии с системывырождения, т. е. в стимулировании спонтанного нарушения симметрии процессов всистеме.Сформулированкритерийотсутствиядинамическогохаосавнеавтономнойдиссипативной колебательной системе, дифференциальная реактивность которой можетпринимать отрицательные значения. Согласно этому критерию, хаос в системе возникать недолжен, если ее дифференциальная реактивность положительна в течение всего периодавнешнего воздействия.
Показано, что данный критерий хорошо выполняется как дляодноконтактного, так и для двухконтактного интерферометров. В частности, согласно этомукритерию,независимоотамплитудыичастотывнешнеговоздействия,хаосвинтерферометре всегда отсутствует при малых значениях нормированной индуктивности,когда l < 1.2. Развита теория высокочастотных сквидов переменного тока резонаторного ибезрезонаторного типов. Показано, что безрезонаторный СВЧ сквид может бытьпроанализирован как сквид резонаторного типа, но с низким значением добротностирезонатора. Развитая теория применена для анализа экспериментальных данных, полученныхпри изучении СВЧ сквида с высокодобротным диэлектрическим резонатором из рутила TiO2(ε ≈ 100) и нанесенным на него интерферометром с джозефсоновским переходом в видемостика.Проведено теоретическое и экспериментальное исследование динамики гистерезисногоСВЧ сквида резонаторного типа с туннельным джозефсоновским переходом. Показано, что вслучае малых значений индуктивности, когда 1 < l < l1 ≈ 4,6, возможен нормальныйгистерезисный режим работы вплоть до значений частоты накачки Ω ≈ Ωс /(2β).Экспериментальнополученныезначениячувствительности7помагнитномупотокуδΦ x = 1,5 ⋅ 10−4 Φ 0 / Гц1 / 2 и энергии δE = 2 ⋅ 10 −30 Дж / Гц при частотной полосе сигнала от 10до 104 Гц являются одними из лучших в мире для гистерезисных сквидов.3.
Впервые предложен и всесторонне изучен теоретически и экспериментальнобыстродействующийвысокочувствительныйбалансныйкомпаратор,стробируемыйодиночными квантами магнитного потока (SFQ), на основе джозефсоновских переходов сбезгистерезисной вольт-амперной характеристикой (ВАХ).Проведен анализ предельной чувствительности и временного разрешения балансногоSFQ компаратора.
Показано, что для типичных параметров джозефсоновских переходовквантовый предел чувствительности составляет ~ 10 пА/Гц1/2, тепловые флуктуации пригелиевой температуре (4,2 К) ограничивают чувствительность на уровне 50 пА/Гц1/2.Показано, что временное разрешение балансного SFQ компаратора составляет (δτ)min =5ћ/(2eVc). При величине характерного напряжения джозефсоновских переходов компаратораVc > 1,6 мВ, временное разрешение (δτ)min < 1 пс.Впервые реализован и экспериментально исследован балансный SFQ компаратор.Полученорекордноезначениечувствительности30…70пА/Гц1/2,полностьюсоответствующее теоретическим оценкам для случая тепловых флуктуаций.
Полученнаячувствительность на 4 порядка лучше чувствительности, достигнутой для небалансныхкомпараторов на туннельных джозефсоновских переходах (0,8 мкА/Гц1/2).4. Проведено изучение процессов синхронизации джозефсоновской генерации вмногоэлементныхджозефсоновскихструктурахсразличнымтипомцепейэлектродинамической связи джозефсоновских элементов и механизмов сужения линиисинхронной генерации. Показано, что максимальное взаимодействие джозефсоновскихэлементов, обеспечивающее синхронный режим генерации в наиболее широком диапазонеразброса их параметров (до 30…40%), имеет место в случае, когда импеданс цепей связисравним с импедансом джозефсоновских элементов, мнимая часть импеданса имеетиндуктивный характер, параметр Маккамбера β порядка 1.Показано, что спектральная линия джозефсоновской генерации в синхронныхструктурах сужается пропорционально числу джозефсоновских элементов в цепочке иличислу ячеек в двумерной решетке до тех пор, пока размеры структуры не превышаютэффективного радиуса взаимодействия джозефсоновских элементов в данной структуре.Показано, что использование распределенных цепей электродинамической связипозволяет существенно увеличивать эффективный радиус взаимодействия джозефсоновскихэлементов за счет установления взаимодействия джозефсоновских переходов с общей длявсейструктурыстоячейэлектромагнитной8волной.Этопозволяетосуществлятьодновременно значительное сужение линии генерации и увеличение выходной мощности,пропорциональное числу джозефсоновских элементов.5.
Проведено исследование джозефсоновских структур с нетривиальной ток-фазовойзависимостью. Разработана цепочечная модель высокотемпературных бикристаллическихджозефсоновских переходов, а также итерационный алгоритм получения распределенияплотности критического тока вдоль бикристаллической границы по экспериментальноизмеренной зависимости полного тока бикристаллического перехода от магнитного поля.Развита аналитическая теория гармонических и субгармонических ступеней Шапиро идетекторного отклика для структур с нетривиальной ток-фазовой зависимостью.Предложен и исследован новый тип “тихого” фазового кубита (квантовый бит – базовыйэлемент квантового компьютера), получена оценка времени декогерентности (~ 0,1 мкс),предложен механизм осуществления логических операций.6. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование широкополосных СВЧусилителей на основе цепочек двухконтактных интерферометров.Предложен и исследован новый тип выходного импульсного усилителя для передачисигналов сверхпроводниковой быстрой одноквантовой логики (RSFQ логики) в цепиполупроводниковой электроники.
Впервые использован режим усиления одноквантовыхимпульсов на цепочке сверхпроводящих квантовых интерферометров в резистивномсостоянии. Для этой цели была предложена специальная техника мультиплицирования иуширения одноквантовых импульсов. Показано, что предложенная концепция позволяетувеличивать число суммирующих элементов и поднимать амплитуду выходного сигнала до 5– 10 мВ без ограничения быстродействия усилителя: предельная частота следованияодноквантовых импульсов может составлять 10-20% характерной частоты джозефсоновскихэлементов интегральной схемы.
В случае ниобиевой технологии джозефсоновских структурс плотностью критического тока jc = 1 кА/см2 предельная частота следования импульсовсоставляет 8 - 16 ГГц и увеличивается соответственно в 2 и 4 раза при переходе натехнологию с плотностью критического тока 4.5 кА/см2 и 20 кА/см2.Разработана интегральная схема усилителя–интерфейса на основе ниобиевой технологиис плотностью критического тока jc = 1 кА/см2. Экспериментально продемонстрированоусиление одноквантовых импульсов до уровня 1 мВ на нагрузке 50 Ом при использованиисхемы усилителя с 32-мя суммирующими элементами.Предложенновыйтипмногоэлементныхджозефсоновскихструктур,которыйобеспечивает высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту входногоэлектромагнитногосигнала.Такиеструктурыпредназначеныдляразработкивысокочувствительных высоколинейных усилителей гигагерцового диапазона частот.9Предложена новая концепция усилителя на основе многоэлементных джозефсоновскихструктур, представляющая собой усилитель бегущей волны, для устранения ограничений,связанных с распределенным характером многоэлементных структур.Достоверность полученных результатовДостоверность результатов, приведенных в диссертации, подтверждается тем, что онибыли получены автором с использованием современных математических методов ивычислительных средств, современного программного обеспечения и современных методовобработкиэкспериментальныхвысокотехнологическогоданных,оборудованияаитакжесиспользованиемизмерительнойаппаратуры.передовогоПолученныетеоретические результаты подтверждаются проведенными в диссертационной работеэкспериментальными исследованиями, а также находятся в соответствии с имеющимисялитературными данными по теоретическим и экспериментальным исследованиям другихнаучных групп в России и за рубежом.
Это позволяет считать полученные результатыполностью обоснованными и достоверными.Практическая значимость работыРазвиты эффективные методы численного моделирования динамики многоэлементныхджозефсоновских структур в присутствие термических флуктуаций, а также эффективныеметоды расчета спектра джозефсоновской генерации, в том числе ширины линиисинхронной генерации. Разработанные методы реализованы в рамках высокоэффективногопрограммного пакета PSCAN для численного моделирования систем с джозефсоновскимипереходами.Полученные теоретические и экспериментальные результаты могут быть использованыпри разработке перспективных аналоговых и цифровых устройств сверхпроводниковойэлектроники:- узкополосных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, в томчисле, для создания высокочувствительных параметрических и супергетеродинныхусилителей, частотных преобразователей и спектрометров;- высокочастотных сквидов переменного тока и измерительных систем на их основе;- высокочувствительных джозефсоновских компараторов тока для создания на их основебыстродействующих высокочувствительных аналого-цифровых преобразователей, а такжестробоскопических преобразователей;- фазовых кубитов для разработки систем квановомеханической обработки и защитыинформации;10- высокоэффективных выходных усилителей сигналов быстрой одноквантовой логики длясопряжения с цепями полупроводниковой электроники;- высокочувствительных высоколинейных усилителей гигагерцового диапазона частот, втом числе, усилителей бегущей волны.Полученныерезультатымогут служитьосновойдляпоследующихопытно-конструкторских разработок в области современных цифровых технологий обработки ипередачи информации.Апробация работыОсновные результаты диссертации докладывались на международных конференциях,таких, как международная конференция по прикладной сверхпроводимости (AppliedSuperconductivity Conference, USA), 1982, 1984, 1990, 1994, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006,международнаяконференцияпосверхпроводниковойэлектронике(InternationalSuperconductive Electronics Conference), 1987, 1989, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007,Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости (European Conference onApplied Superconductivity), 1995, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, международная конференция“SQUID’85”, Germany, 1985, международный симпозиум по сверхпроводимости в Швеции(Fourth Nordic Symposium on Superconductivity), 1994, международная конференция по физикесверпроводниковых устройств (Superconductive Device Physics), Tokyo, 2001, международнаяконференция европейского научного сщщбщества “Combined ESF Vortex and ESF PiShiftWorkshop”, Германия, 2004, международная конференция студентов, аспирантов и молодыхученых по фундаментальным наукам “Ломоносов-2004, конференция “Ломоносовскиечтения, секция физики”, 2004, Европейская конференция по физике сверхпроводниковыхустройств основанных на механизме фазового сдвига (Physics of Superconducting Phase ShiftDevices), Италия, 2005, 11-я и 12-я международные студенческие конференции поприменению новых физических явлений в в области СВЧ устройств (Int.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
