Исследование динамических процессов в джозефсоновских устройствах сверхпроводниковой электроники (1097559), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Данный преобразователь формирует одиночныеодноквантовые импульсы, следующие с частотой опорного синусоидального сигнала; приувеличении амплитуды опорного сигнала dc/SFQ преобразователь генерирует парыодноквантовых импульсов.Экспериментально продемонстрировано усиление одноквантовых импульсов до уровня1 мВ на нагрузке 50 Ом при использовании схемы усилителя с 32-мя суммирующимиабРис. 14. Выходные импульсы напряжения, снимаемые с суммирующей цепочки усилителя,подключенной к 50-омной нагрузке (верхние осциллограммы) и опорный сигнал,подаваемый на dc/SFQ преобразователь (нижние осциллограммы синусоидального сигнала).Данный преобразователь формирует одиночные одноквантовые импульсы, следующие счастотой опорного сигнала (а); при увеличении амплитуды опорного сигнала dc/SFQпреобразователь генерирует пары одноквантовых импульсов (б).
Частота опорного сигнала:100 МГц. Шкала напряжения: 2 мВ/дел.25элементами. Ширина экспериментально полученных выходных импульсов составляетτимп = 500 пс (длительность ~1 нс) и хорошо соответствует величине уширения импульсов,заложенной при проектировании схемы. Полученные экспериментально амплитудавыходных импульсов 1 мВ и максимальный отклик суммирующей цепочки 1,5 мВ хорошосогласуется с результатами численного моделирования динамики интерферометровсуммирующей цепочки, индуктивно связанных с ячейками цепи уширения при величинекоэффициента индуктивной связи M / L = 0.45…0.5, заложенной в топологии схемы.Во второй части данной главы излагаются результаты исследования физических основпостроениямногоэлементныхджозефсоновскихструктур,характеризующихсявысоколинейной функцией отклика (треугольной формы) напряжения на магнитное полесмещения. Предложен новый тип многоэлементных джозефсоновских структур, которыйобеспечивает высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту входногоэлектромагнитного сигнала.
Такая структура может быть реализована на основепоследовательной цепочки сквидов, содержащей группы одинаковых скидов, которыеформируют необходимый спектральный состав функции отклика напряжения цепочки.Возможно также построение дифференциальных схем на основе последовательных цепочек.При замене в этих цепочках сквидов на параллельные цепочки джозефсоновских переходовполучаем последовательно-параллельную дифференциальную структуру. Предложенныеструктуры позволяют разрабатывать высокочувствительные высоколинейные усилителигигагерцового диапазона частот. Для устранения ограничений, связанных с распределеннымхарактером структур на основе длинных цепочек предложена новая концепция усилителя наоснове многоэлементных джозефсоновских структур, представляющая собой усилительбегущей волны. Идея такого усилителя во многом соответствует хорошо известномупринципу усиления сигнала лампой бегущей волны.Рис.
15. Усилитель бегущей волны, представляющий собой две микрополосковые линии(входная и выходная), связанные через интерферометры последовательной цепочки. Навставке показана связь линий через один из интерферометров цепочки.26Основные результаты и выводы диссертационной работы:1.Развитыметодытеоретическогоиэкспериментальногоисследованиямногоэлементных джозефсоновских структур и устройств на их основе.Разработан эффективный метод численного моделирования флуктуационной компонентытока, позволяющий использовать переменный шаг численного интегрирования уравненийдинамики сверхпроводниковых цепей, а также высокоэффективный метод расчета спектраджозефсоновской генерации, основанный на использовании алгоритма автрегрессионногофильтра порядка p ~ 100.
Разработанные методы реализованы в рамках высокоэффективногопрограммного пакета PSCAN для численного моделирования динамики многоэлементныхджозефсоновских структур и анализа спектральных характеристик.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.Разработанмногоканальныйавтоматизированныйизмерительныйстенддляэкспериментального исследования джозефсоновских интегральных схем и устройств.2.Проведеноизучениехаотическихпроцессовводно-идвухконтактномсверхпроводящих квантовых интерферометрах.
Показано, что в отсутствие постояннойсоставляющей приложенного магнитного потока, всегда имеет место предшествующее хаосуспонтанное нарушение симметрии процессов, которое сопровождается появлениемпостоянной составляющей джозефсоновской фазы. Показано также, что основная рольдополнительных степеней свободы, возникающих при переходе от одноконтактного кдвухконтактному интерферометру, заключается лишь в снятии с системы вырождения, т.
е. встимулировании спонтанного нарушения симметрии процессов в системе.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 для одно-,так и двухконтактного интерферометров. В частности, согласно этому критерию, независимоот амплитуды и частоты внешнего воздействия, хаос в интерферометре всегда отсутствуетпри малых значениях нормированной индуктивности, когда l < 1.3.
Развита теория высокочастотных сквидов переменного тока резонаторного ибезрезонаторного типов. Показано, что безрезонаторный СВЧ сквид может быть27проанализирован как сквид резонаторного типа, но с низким значением добротностирезонатора. Развитая теория применена для анализа экспериментальных данных для СВЧсквида с высокодобротным диэлектрическим резонатором из рутила TiO2 (ε ≈ 100) инанесенным на него пленочным одноконтактным интерферометром с джозефсоновскимпереходом в виде мостика.Проведено теоретическое и экспериментальное исследование динамики резонаторногоСВЧ сквида с туннельным джозефсоновским переходом.
Показано, что в случаеограниченной индуктивности 1 < l < l1 ≈ 4,6 возможен нормальный гистерезисный режимработы вплоть до значений частоты накачки Ω ≈ Ωс /2β. Экспериментально полученныезначения чувствительности по магнитному потоку δΦ x = 1,5 ⋅ 10−4 Φ 0 / Гц1 / 2и энергииδE = 2 ⋅ 10 −30 Дж / Гц при частотной полосе сигнала от 10 до 104 Гц являются одними излучших в мире для гистерезисных сквидов.4. Впервые предложен и всесторонне изучен теоретически и экспериментальнобыстродействующийвысокочувствительныйбалансныйкомпараторнаосноведжозефсоновских переходов с безгистерезисной вольт-амперной характеристикой (ВАХ),стробируемый одиночными квантами магнитного потока (SFQ),.Проведен анализ предельной чувствительности и временного разрешения балансногоSFQ компаратора, определяющейся его внутренними флуктуациями.
Показано, что длятипичных параметров джозефсоновских переходов квантовый предел чувствительностисоставляет примерно 10 пА/Гц1/2, тепловые флуктуации при гелиевой температуре (4,2 К)ограничивают чувствительность на уровне 50 пА/Гц1/2. Показано, что временное разрешениебалансного SFQ компаратора составляет (δτ)min = 5ћ/(2eVc). Если характерное напряженияджозефсоновских переходов компаратора Vc > 1,6 мВ, временное разрешение (δτ)min < 1 пс.Впервые реализован и экспериментально 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).5.
Проведено изучение процессов синхронизации джозефсоновской генерации вмногоэлементныхджозефсоновскихструктурахсразличнымтипомцепейэлектродинамической связи джозефсоновских элементов, а также изучение механизмовсужения линии синхронной генерации. Показано, что максимальное взаимодействиеджозефсоновских элементов, обеспечивающее синхронный режим генерации в наибольшемдиапазоне разброса их параметров (до 30…40%), имеет место в случае, когда импеданс28цепей связи сравним с импедансом джозефсоновских элементов, мнимая часть импедансаимеет индуктивный характер, параметр Маккамбера β порядка 1.Показано, что линия джозефсоновской генерации в синхронных структурах сужаетсяпропорционально числу джозефсоновских элементов в цепочке или числу ячеек в двумернойрешетке до тех пор, пока размеры структуры не превышают эффективного радиусавзаимодействия 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 длявсейструктурыстоячейэлектромагнитнойволной.Этопозволяетосуществлятьодновременно значительное сужение линии генерации и повышение выходной мощности,пропорциональное числу джозефсоновских элементов.6.
Проведено исследование джозефсоновских структур с нетривиальной ток-фазовойзависимостью (ТФЗ). Предложена цепочечная модель бикристаллических джозефсоновскихпереходов,атакжеитерационныйалгоритмполученияраспределенияплотностикритического тока вдоль бикристаллической границы по экспериментально измереннойзависимости полного тока перехода от магнитного поля. Развита аналитическая теориягармонических и субгармонических ступеней Шапиро и детекторного отклика с учетомконечной емкости второй гармоники ТФЗ джозефсоновских переходов.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.7. 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 сигналов RSFQлогики на цепочке сверхпроводящих квантовых интерферометров в резистивном состоянии.Для этой цели была предложена специальная техника мультиплицирования и уширенияодноквантовых импульсов. Показано, что предложенная концепция позволяет увеличиватьчисло суммирующих элементов и поднимать амплитуду выходного сигнала до 5 – 10 мВ безограничения быстродействия усилителя: предельная частота следования одноквантовыхимпульсов может составлять 10% - 20% характерной частоты джозефсоновских элементовинтегральной схемы. В случае ниобиевой технологии джозефсоновских структур сплотностью критического тока jc = 1 кА/см2 предельная частота следования импульсов29составляет 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
