Исследование динамических процессов в джозефсоновских устройствах сверхпроводниковой электроники (1097559), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В этом случае предельный циклстановится неустойчивым, и возникает странный аттрактор.В главе III рассматриваются высокочастотные сквиды переменного тока. Развитатеория высокочастотных сквидов переменного тока резонаторного и безрезонаторноготипов. Показано, что анализ динамики резонаторного СВЧ сквида сводится к анализуэквивалентного сосредоточенного (радиочастотного) сквида: выходной сигнал СВЧ сквидапредставим в виде векторной суммы падающей волны накачки и напряжения наколебательном контуре эквивалентного сосредоточенного сквида.
Показано также, чтобезрезонаторный СВЧ сквид может быть проанализирован как сквид резонаторного типа, новРис. 3. Анализ резонаторного СВЧ сквида. (а)- эквивалентная длинная линия (симпедансом ρ), нагруженная на эквивалентный колебательный контур, (б) - эквивалентный“радиочастотный” сквид, (в) – выходной сигнал СВЧ сквида. Здесь E↓ - падающая волнанакачки, E↑ - амплитуда (с учетом фазы) отраженной волны, V – амплитуда напряжения наколебательном контуре эквивалентного сосредоточенного сквида.16с низким значением добротности резонатора.РазвитаяполученныхизучениитеорияэкспериментальныхСВЧдиэлектрическим(ε ≈ 100)применяетсяисквидасодноконтактныманализаданныхпривысокодобротнымрезонаторомнапыленнымдляизнарутиланегоTiO2пленочныминтерферометромсджозефсоновским переходом в виде мостика.
Дляразличныхизготовленныхдатчиковбылиреализованы различные режимы работы сквида:гистерезисныйРис. 4. Сигнальные характеритикирезонаторного СВЧ сквида P↑(Фx) сджозефсоновским переходом в видемостика при увеличении мощностинакачки (эксперимент).режим,высокочастотныйбезгистерезисный режим, а также промежуточныйрежим.Проведено теоретическое и экспериментальноеисследование динамики гистерезисного СВЧ сквидарезонаторного типа с туннельным джозефсоновским переходом.
Показано, что в случае1 < l < l1 ≈ 4,6 возможен нормальный гистерезисный режим работы вплоть до значенийчастоты накачки Ω ≈ Ωс /(2β).В силу того, что крутизна преобразования dV/dФх в гистерезисном режиме растетпропорциональночастотенакачки,СВЧсквидыпозволяетполучитьвысокуючувствительность в сочетании с широкой полосой частот принимаемых сигналов. Так,полученныеэкспериментальнодлярезонаторногоСВЧсквидастуннельнымджозефсоновским переходом значения чувствительности по магнитному потоку и энергии4δΦ x = 1,5 ⋅ 10 −4 Φ 0 / Гц1 / 2 , δE = 2 ⋅ 10 −30 Дж / Гц при частотной полосе сигнала от 10 до 10 Гцявляются одними из лучших в мире для гистерезисных сквидов.Глава IV посвящена изучению компараторов тока на основе джрозефсоновскихпереходов. Проведенное исследование показало невозможность создания балансногоимпульсного компаратора, обеспечивающего одновременно высокое быстродействие ивысокую чувствительность, на основе туннельных джозефсоновских переходов, то естьджозефсоновских элементов с гистерезисной вольт-амперной характеристикой (ВАХ).Туннельные джозефсоновские переходы с неоднозначной ВАХ позволяют создавать толькоасимметричные, то есть небалансные, схемы компараторов, частота рабочего цикла которых,быстродействие и чувствительность далеки от предельных возможностей устройств наоснове эффекта Джозефсона.17I3L/2I2I1L/2I2J6LLLJ1J2J5R1J7J4I4V7IsignalIfbРис.
5. Схема устройства, разработанного для экспериментального исследованиябалансного компаратора на основе джозефсоновских переходов с безгистерезисной вольтамперной характеристикой: J6 и J7 – балансный компаратор (пара Гото), J2 – J4 –джозефсоновская линия передачи (JTL) одиночных квантов магнитного потока (SFQ) вконтур компаратора, J1 – генератор одиночных квантов магнитного потока. Токисмещения: I1 > Ic , I2 < Ic , I3 <2Ic ; R1 < RN ; l = (2π/Ф0)IcL ≈ 3…6.Впервые предложен и проанализирован быстродействующий высокочувствительныйбалансный компаратор, стробируемый одиночными квантами магнитного потока (SFQ), наоснове джозефсоновских переходов с безгистерезисной ВАХ. Проведен анализ предельнойчувствительностибалансногоSFQкомпаратора,определяющейсявнутреннимифлуктуациями компаратора.
Для реальных типичных параметров джозефсоновскихпереходов квантовый предел чувствительности составляет примерно 10 пА/Гц1/2, тепловыефлуктуации при гелиевой температуре (4,2 К) ограничивают чувствительность на уровне50 пА/Гц1/2. Показано, что временное разрешение балансного SFQ компаратора составляет(δτ)min = 5ћ/(2eVc). Если характерное напряжения джозефсоновских переходов компаратораVc > 1,6 мВ, временное разрешение (δτ)min < 1 пс.Рис. 6. Слева: величина размытия ∆I пороговой характеристики (ВАХ) балансногокомпаратора как функция постоянной составляющей напряжения на генераторе V1 (т.е.функция частоты следования импульсов) для различных образцов, исследовавшихсяэкспериментально.
Справа: временное разрешение балансного компаратора как функциятока смещения I3 при различных значениях безразмерной индуктивности l/2 (расчет).18Впервые экспериментально реализован и исследован балансный SFQ компаратор.Экспериментально получено рекордное значение чувствительности 30…70 пА/Гц1/2,полностью соответствующее теоретическим оценкам для случая тепловых флуктуаций.Полученная чувствительность на 4 порядка лучше чувствительности, достигнутой длянебалансных компараторов на туннельных джозефсоновских переходах (0,8 мкА/Гц1/2).В главе V представлены результаты исследования явления взаимной синхронизации вцепочках и решетках джозефсоновских переходов, а также результаты изучения механизмовсужения линии синхронной джозефсоновской генерации.Показано,чтомаксимальноевзаимодействиеджозефсоновскихэлементовобеспечивающее синхронный режим генерации в наибольшем диапазоне разброса ихпараметров (до 30…40%), имеет место в случае, когда импеданс цепей связи сравним симпедансом джозефсоновских элементов, мнимая часть импеданса имеет индуктивныйхарактер, параметр Маккамбера β порядка 1.
Предложены наиболее оптимальныеодномерные цепочки и двумерные решетки джозефсоновских переходов. В случаетуннельных джозефсоновских переходов с большой собственной емкостью (β >> 1),которые, обеспечивают наиболее высокое значение характерной джозефсоновской частоты,также возможна их взаимная синхронизация хотя и в ограниченном частотном интервале, носо значительной устойчивостью к изменению (до ±30%) параметров переходов приоптимальномвыбореэлектродинамическойсистемы,объединяющейтуннельныеджозефсоновские переходы. Частотная область этого явления ограничена полосойпропускания резонанса, образованного системой, объединяющей переходы, и их емкостями.8x10-44x10-4IIIIШирина линии, ∆ω2x10-4∆ω1/Nl =1.2l =2.4l =4.2l =6l =9l =12l =18l =2410-45x10-5246810121416Число джозефсоновских переходов, NабРис. 7. Параллельная цепочка джозефсоновских переходов (а) и зависимость ширинылинии синхронной генерации от числа N джозефсоновских переходов в цепочке приразличном значении нормированной индуктивности l (б).19Показано, что линия джозефсоновской генерации в синхронных структурах ссосредоточенными цепями электродинамической связи сужается пропорционально числуджозефсоновских элементов в цепочке или числу ячеек в двумерной решетке до тех пор,покаразмерыструктурынепревышаютэффективногорадиусавзаимодействияджозефсоновских элементов в данной структуре.
Анализ различных типов цепочек ирешеток джозефсоновских элементов с сосредоточенными цепями электродинамическойсвязи показывает, что практически вряд ли реально получить сужение линии генерации втаких структурах более, чем в 100 раз.Проведеноисследованиемногоэлементныхджозефсоновскихструктурсраспределенными цепями электродинамической связи. Показано, что наименьшая шириналинии генерации имеет место в случае слабого отражения волны от джозефсоновскихэлементов, включенных в распределенную структуру, когда импеданс джозефсоновскогоперехода ZJ (близкий к его нормальному сопротивлению RN), должен быть значительнобольше или, в зависимости от способа включения джозефсоновского элемента, наоборот,меньше волнового сопротивления распределенной структуры ρ.
Это означает возбуждение враспределенной системе единой стоячей волны, частота которой в этом случае определяетсятолько полной длиной распределенной линии. Радиус взаимодействия джозефсоновскихпереходв в такой структуре значительно возрастает за счет взаимодействия всехджозефсоновских элементов с общей стоячей волной. Показано, что увеличение числаджозефсоновскихсоответственноα0,100,050,150,20∆ω/∆ω0 (×10−2)4числаλ/2-секцийивраспределенной структуре, в которойвозбуждается единая стоячая волна,3позволяет3одновременноувеличитьвыходную мощность (до нескольких22десятков110элементов1процентовмощностипадающей волны) и уменьшить ширину234N56линии генерации. Это подтверждается7Рис. 8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
