Многоэлементные джозефсоновские структуры для реализации высоколинейных широкополосных устройств (1103888), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Полученные результаты находятся всоответствии с имеющимися литературными данными. Теоретические результатыподтверждены экспериментальными исследованиями.Личный вклад автора.Автором было выполнено численное моделирование всех сверхпроводниковыхструктур, которые рассматриваются в диссертационной работе, включая расчетшумовых характеристик би-сквидов. Автору принадлежит определяющий вклад всозданиеаналитическойоптимизированатеориитопологияби-сквидов.Авторомэкспериментальныхбыластруктур,разработанакоторыеизатемизготавливались фирмой Хайпрес, США (Hypres, USA). Все экспериментальныеисследования проводились лично автором в лаборатории фирмы Хайпрес.Апробация работы.Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались нанаучном семинаре лаборатории «Криоэлектроника» физического факультета МГУимени М.В.

Ломоносова, а также на следующих российских и международныхконференциях:6 Объединенная международная конференция «100-летие сверхпроводимости», (JoinedEUCAS-ISEC-ICMC centennial conference, The Netherlands, 2011) Нидерланды, 18-23сентября 2011 г. Международнаяконференцияпоприкладнойсверхпроводимости(AppliedSuperconductivity Conference, Portland, USA, 2012), США, 7-12 октября 2012 г. Международная конференция по сверхпроводниковой электронике (InternationalSuperconducting Electronics Conference, Cambridge, USA, 2013), США, 7-11 июля 2013 г. Международный симпозиум по электронике, фотонике и возобновляемым источникамэнергии «Nano and Giga Challenges», Москва - Зеленоград, 12-16 сентября 2011 г. Международная конференция «Микро- и наноэлектроника – 2012», Москва Звенигород, 1-5 октября 2012.Всероссийская научно-техническая конференции «Микроэлектроника СВЧ», СанктПетербург, Россия, 4-12 июня 2012 г.XIV Всероссийская школа - семинар «Физика и применение микроволн», Можайск Москва, 20-25 мая 2013.По результатам диссертационной работы опубликовано 7 статей в российских изарубежных реферируемых журналах.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ разделе «Общая характеристика диссертационной работы» описанаактуальность темы, сформулированы цели исследования, раскрыты научная новизна,практическая ценность и личный вклад автора.Глава 1 содержит введение, обзор литературы и мотивацию данной работы.Сквиды (сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики, англ.: SQUID)постоянного тока, представляющие в своей основе сверхпроводящее кольцо свключенными в него двумя джозефсоновскими переходами, хорошо известны и широкоиспользуются как очень чувствительные преобразователи магнитного сигнала внапряжение,обладающие,однако,оченьограниченнойлинейностьюоткликанапряжения.

В низкочастотных устройствах на основе сквидов высокая линейность ибольшой динамический диапазон достигаются за счет использования внешней цеписледящей обратной связи. К сожалению, в устройствах, предназначенных для приема иусиления сигналов суб-гигагерцовых и гигагерцовых частот, реализовать такуювнешнюю цепь обратной связи не представляется возможным.7Решениезадачисозданияширокополосныхвысокочувствительныхивысоколинейных СВЧ устройств может быть достигнуто путем использованиямногоэлементных джозефсоновских структур, в которых расширение динамическогодиапазона обеспечивается увеличением числа ячеек (так, например, при использованиицепочки, состоящей из N сквидов, динамический диапазон увеличивается втребуемаявысокаялинейностьфункциипреобразованияN раз), амагнитногосигнала(магнитной компоненты электромагнитного сигнала) в напряжение достигается за счетиспользования джозефсоновских ячеек с высоколинейным откликом напряжения.Таким образом, основной задачей диссертационной работы являлись синтез такихбазовых ячеек и экспериментальное исследование характеристик цепочек и решетокячеек, а также прототипов устройств на их основе.В Главе 2 излагаются результаты теоретического и экспериментального изученияби-сквида – нового элемента, в котором последовательно реализуются два нелинейныхпреобразования сигнала, отвечающие одно- и двухконтактным сквидам.

Этипреобразования могут быть сделаны взаимно-обратными, в результате чего достигаетсявысокая линейность вольт-полевой характеристики би-сквида. На рис. 1 показанапринципиальная схема би-сквида, а также его модель, которая использовалась дляанализашумовыххарактеристик,представленныхвпоследующейглаведиссертационной работы. Этот анализ был выполнен в соответствии с методомЛанжевена, согласно которому источники тепловых флуктуаций задаются в виденезависимых источников флуктуационных токов.абРис. 1.

(а) Принципиальная схема би-сквида. (б) Описание источников тепловыхфлуктуаций посредством подключения к джозефсоновским переходам независимыхисточников флуктуационных токов IF1,2,3 в соответствии с методом Ланжевена.Обозначения: J1,2,3 – джозефсоновские переходы, L – основная индуктивность бисквида, Фе – внешний поток, IB – ток питания.8Для линеаризации функции отклика напряжения двухконтактного сквидапостоянного тока было предложено подключить параллельно основной индуктивноститретий джозефсоновский переход, который находится всегда в сверхпроводящемсостоянии и играет роль нелинейной индуктивности. Такая модификация сквидапостоянноготокапревращаетеговби-сквид.Дополнительновключенныйджозефсоновский переход и основная геометрическая индуктивность L образуютодноконтактный сквид, осуществляющий нелинейное преобразование магнитногопотока входного сигнала в постоянную составляющую разности фаз джозефсоновскихпереходов Δφ = φ1 – φ2 двухконтактного сквида (рис.

2а), в то время как, в исходномдвухконтактном сквиде это преобразование всегда близко к линейному.При l* ≡ l·(IC3/IC) ≈ 1 (здесь l = 2πLIС/Ф0 – безразмерная индуктивностьдвухконтактного сквида, IС и IС3 – критические токи соответственно основных (J1 и J2)джозефсоновских переходов и третьего (J3) перехода, Ф0 = h/2e ≈ 2·10-15 Вб – квантмагнитного потока) нелинейное преобразование входного потока Фe в разность фаз Δφделается обратным по отношению к последующему нелинейному преобразованиюразности фаз Δφ в постоянную составляющую напряжения V и, таким образом,достигается результирующее линейное преобразование входного сигнала в напряжение(рис.

2б).(а)(б)Рис. 2. (а) Преобразование входного магнитного потока Фe в постояннуюсоставляющую разности фаз джозефсоновских переходов Δφ = φ 1 – φ2 вдвухконтактном сквиде при l = 2πLIС/Ф0 = 1 (линия 1) и l = 10 (линия 2) и в бисквиде при значениях параметра l* ≡ l·(IC3/IC) =1 (кривая 3) и l* = 3 (кривая 4). (б)Отклики напряжения би-сквида при оптимальном значении параметра l* ≈ 1(сплошная линия) и двухконтактного сквида (штриховая линия); в обоих случаяхток смещения IB = 2IC.9абРис. 3. Семейства экспериментально полученных откликов напряжения цепочек из20 (а) и 128 (б) би-сквидов. Отклики сняты при разных значениях тока смещения IB ,величина которого увеличивается от нижних кривых к верхним. “Магнитный” ток –ток в линии задания магнитного потока в би-сквиды.Аналитическая теория би-сквида, построенная с использованием резистивноймодели джозефсоновских переходов с пренебрежимо малой собственной емкостью и впредположениималостиамплитудыпеременнойсоставляющейразностиджозефсоновских фаз φ1 и φ2, дает систему двух уравнений, определяющих неявноотклик би-сквида V(Фe):V / VC   ( I B / 2I C ) 2  2 cos2 , 2 (1)l  sin()     (2  е / 0 ) ,(2)где VC = ICRN – характерное напряжение основных джозефсоновских переходов, RN –нормальное сопротивление этих переходов.

Параметр l* определяет форму откликанапряжения, которая при задании тока смещения IB = 2IC меняется от V/VC = │sin(Δφ)│при l* → 0 до линейно-треугольного вида при l* ≈ 1. Дальнейшее увеличение параметраl* приводит к появлению петлей гистерезиса в областях Фе ≈ ±Ф0/2 + nФ0. Численноемоделирование би-сквида подтверждает, что уравнения (1)-(2) описывают откликнапряжения достаточно точно при всех значениях параметра l*.Топология би-сквидов и цепочек последовательно включенных би-сквидов былиразработаны на основании численного моделирования сосредоточенных структур спомощью программного пакета PSCAN и анализа индуктивностей многослойныхпленочных структур с помощью программного обеспечения L-METER и FastHenry.ЭкспериментальныеструктурыбылиизготовленыфирмойHypres,СШАсиспользованием пленочной ниобиевой технологии формирования сверхпроводниковых10структур с плотностью критического тока туннельных джозефсоновских переходов4,5 кА/см2.

Внутреннее резистивное шунтирование туннельных переходов обеспечиваловеличину параметра Маккамбера  результатамчисленного2eI R 2 C в пределах 0,2…0,25, когда согласно C NмоделированиявлияниесобственнойемкостиСджозефсоновских переходов на форму отклика напряжения остается пренебрежимомалым. Интегральные схемы, содержащие цепочки от 20 до 128 би-сквидоврасполагались на чипах размером 5 мм на 5 мм с 40 контактными, расположенными попериметру чипа, и полезной площадью примерно 3,5 х 3,5 мм2. Интегральные схемысодержали также полосковые линии, индуктивно связанные с би-сквидами цепочек, чтопозволяло прикладывать одинаковый магнитный поток к каждому би-сквиду цепочкипутем пропускания тока через такую линию.На рис. 3 приведены два примера полученных экспериментально семействоткликов напряжения цепочек би-сквидов, измеренных по мере увеличения токасмещенияцепочкиIB .Гистерезисныйхарактероткликовпервогосемействасвидетельствует о том, что эффективное значение индуктивного параметра l*существенно превышает 1, в то время как второе семейство откликов соответствуетоптимальной величине этого параметра l* ≈ 1.В данной главе приводятся также результаты исследования би-сквидов,изготовленных с использованием ниобиевой пленочной технологии научного центраIPHT,Германия.туннельныхЭтатехнологияджозефсоновскиххарактеризуетсяпереходовисубмикроннымиотсутствиемразмерамиэкранирующегосверхпроводящего слоя.Наблюдаемое экспериментально размытие нижних углов откликов напряжениявозникает как вследствие влияния тепловых флуктуаций, так и технологическогоразброса критических токов би-сквидов в пределах цепочки.

Характеристики

Список файлов диссертации