Многоэлементные синхронные джозефсоновские структуры (1103890)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА..Физический факультетКафедра Атомной Физики, Физики плазмы и МикроэлектроникиНа правах рукописиАрзуманов Алексей ВладимировичМНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ СИНХРОННЫЕ ДЖОЗЕФСОНОВСКИЕ СТРУКТУРЫСпециальность 01.04.03 - радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2007Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмымикроэлектроники физического факультета МГУ им. М.В.
Ломоносова.Научный руководитель:икандидат физико-математических наук, доцентКОРНЕВ В. К.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорГОЛЬЦМАН Г. Н.(Московский Педагогический Государственный Университет)кандидат физико-математических наукКАРПОВ О. В.(Всероссийский Научно-Исследовательский ИнститутФизико-Технических и Радиотехнических Измерений)Ведущая организация:Институт Радиотехники и Электроники РАНЗащита диссертации состоится 24 мая 2007 г. в 16 часов на заседанииДиссертационного совета 501.001.67в Московском ГосударственномУниверситете им. М.В. Ломоносова (119992, Москва, Ленинские Горы,физический факультет МГУ, Физическая аудитория им. Р.
В. Хохлова).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан 23 апреля 2007 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета 501.001.67кандидат физико-математических наук, доцент2Королев А.
Ф.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыДжозефсоновский переход в резистивном состоянии представляет собой естественныйисточникэлектромагнитныхколебанийвдиапазонахволнотмиллиметровогодоинфракрасного, перестраиваемый по частоте напряжением V, что следует из фундаментальногосоотношения:f = 2e h V ,(1)где 2e h ≡ 2π Φ 0 = 483 МГц/мкВ.
При этом характерные частоты джозефсоновских элементов наоснове низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) могут достигать значения 1 ТГц, а наоснове высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) - значения 10 ТГц и даже выше.Однако,генераторнаосновеодиночногоджозефсоновскогопереходаимеетрядпринципиальных недостатков: (i) низкое значение выходной мощности (порядка 0,1⋅IcVc, где Vc= IcRN– характерное напряжение [1, 2]), (ii) низкое характерное сопротивление R ≈ RN, где RN сопротивление перехода в нормальном состоянии, (iii) широкая линия джозефсоновскойгенерации:ΔF [МГц] ≈ 40,5T[K]⋅R[Ом](2).Использование синхронных одномерных цепочек или двумерных решеток джозефсоновскихпереходов, например, включенных последовательно, позволяет разрешить противоречие втребованиях к параметрам джозефсоновских переходов как генераторов и получитьперспективные источники (фазированные многоэлементные генераторы) узкополосногоэлектромагнитного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн [1,2], в которых сужение линии генерации происходит за счет механизмов синхронизацииджозефсоновских переходов.Особый интерес представляет использование джозефсоновской генерации как источниканакачки и самонакачки в джозефсоновских структурах [3-5], работающих в режимесверхчувствительного приема электромагнитного излучения.
Оба эти режима использованияджозефсоновских структур требуют существенного сужения линии собственной генерациипосредством взаимной синхронизации джозефсоновских колебаний отдельных переходов вмногоэлементной структуре. При оптимальном соединении джозефсоновских переходов врежиме генерации вполне реальным является получение ширины линии генерации менее 1 МГцпри мощности излучения порядка 1 мВт в коротковолновом мм и субмм диапазонах длин волн[6]. В режиме работы приемника с самонакачкой при гелиевых температурах можно ожидатьвыход на уровень соотношения hfC > kT > hf, где T - физическая температура, f - частота сигналаи fC - характерная частота джозефсоновского перехода.
В этом случае, согласно оценкам [5],3ожидается получение шумовых температур TN ≤ hf/k. При использовании высокотемпературныхсверхпроводников, то есть при азотной температуре, из-за большого значения kT > hf0 можноожидать TN ≅ T, что для детектора при выходной полосе 1 - 10 ГГц дает значение эквивалентноймощности шумов NEP=10-16 ВтГц при постоянной времени детектора τ = 1 сек.Основным препятствием на пути создания многоэлементных синхронных структурявляется технологический разброс их параметров, в основном, критических токов, которыйособенно велик для высокотемпературных джозефсоновских переходов и может достигатьдесятков процентов. До настоящего времени отсутствовали четкие критерии выбора цепейэлектродинамической связи, которые бы позволяли получить наиболее сильное взаимодействиеджозефсоновских элементов, необходимое для обеспечения в многоэлементной структуресинхронного режима джозефсоновской генерации, максимально устойчивого к разбросупараметров джозефсоновских элементов.
Кроме того, оставался открытым вопрос овозможности и путях получения значительного, на несколько порядков, сужения линиисинхроннойгенерациизасчетувеличениячисладжозефсоновскихэлементоввмногоэлементной структуре.Большоеколичествопубликаций,посвященныхкактеоретическому,такиэкспериментальному изучению различных многоэлементных джозефсоновских структур,синхронизации джозефсоновской генерации и согласованию таких структур как генераторов свнешней нагрузкой, свидетельствует об актуальности данного направления исследований.Сложность изучения процессов синхронизации в многоэлементных джозефсоновскихструктурахсвязанаснеобходимостьюрешениябольшойсистемынелинейныхдифференциальных уравнений второго порядка. Численное решение таких систем требуетогромных вычислительных ресурсов.
Кроме того, рассмотрение спектральных характеристиксинхронной генерации требует не только наличия эффективных методов спектральных оценок,но и учета флуктуационой компоненты тока.Использованиеанизотропныхвысокотемпературныхсверхпроводниковделаетпринципиально возможным формирование джозефсоновских переходов с более высокимзначением характерной частоты (до 10 ТГц и даже выше), что является весьма актуальным длясоздания джозефсоновских генераторов терагерцового диапазона частот. Однако созданиевысококачественных джозефсоновских переходов на основе ВТСП встречает массу серьезныхпроблем из-за специфических свойств таких материалов, в частности, очень малой длиныкогерентностиξ.оптимизированныхЭтоделаеттехнологий,невозможнымиспользуемыхприменениедляхорошополученияотработанныхинизкотемпературныхджозефсоновских переходов, например, на основе Nb.
Одним из основных методов, дающих4достаточно высокую воспроизводимость параметров формирования джозефсоновских ВТСПпереходов,являетсяиспользованиеВТСПпленок,эпитаксиальновыращенныхнабикристаллических подложках [7, 8]. В этом случае, слабая связь формируется в областисоединения двух монокристаллических ВТСП пленок. Однако при этом наблюдаетсяфасетированиебикристаллическойсверхпроводниками,бикристаллическойчтограницыприводитграницы[9].кЭто(кусочно-ломаныйнеоднородностиприводиткхарактер)транспортныхповедениюмеждусвойствиd-такойхарактеристикамбикристаллических переходов, которые не могут быть объяснены в рамках стандартныхсосредоточенных моделей джозефсоновских элементов и, следовательно, требует развитияболее адекватных моделей.Цель работыЦелью данной работы является исследование динамики синхронных многоэлементныхджозефсоновских структур с различными типами цепей электродинамической связи и изучениемеханизмов сужения линии синхронной джозефсоновской генерации, а также разработкамногоэлементноймоделибикристаллическихджозефсоновскихпереходов.Врамкахсформулированной глобальной цели конкретными целями являются:1.
Разработкаэффективногометодамоделированиядинамикимногоэлементныхджозефсоновских структур в присутствии флуктуаций и вычисления спектра синхроннойгенерации. Реализация разработанного метода в рамках программного пакета PSCAN длячисленного моделирования динамики джозефсоновских цепей.2. Анализ динамики многоэлементных джозефсоновских структур с различными типамицепей электродинамической связи, которые обеспечивают наиболее сильное взаимодействиеджозефсоновских элементов, необходимое для формирования синхронного режима генерации,максимально устойчивого к разбросу параметров джозефсоновских элементов.3.
Изучение механизмов сужения линии синхронной джозефсоновской генерации ипредельной ширины линии инхронной генерации.4. Разработка модели на основе параллельной цепочки “0” и “пи” джозефсоновскихэлементовдляописаниябикристаллическихджозефсоновскихпереходовизвысокотемпературных сверхпроводников.Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:1. Разработан эффективный метод моделирования флуктуационной компоненты тока,который позволяет использовать переменный шаг численного интегрирования уравненийдинамики сверхпроводниковых цепей, а также высокоэффективный метод расчета спектра5джозефсоновской генерации, основанный на использовании алгоритма авторегрессионногофильтра высокого порядка p ~ 100.2.
Показано, что наиболее сильное взаимодействие джозефсоновских элементов впоследовательных цепочках и двумерных структурах, обеспечивающее синхронный режимгенерации в широком диапазоне разброса критических токов, имеет место, когда импедансцепей связи сравним с импедансом джозефсоновских элементов, а его мнимая часть имеетиндуктивный характер, и параметр Маккамбера джозефсоновских переходов β порядка 1.3.Показано,чтосужениелиниисинхроннойджозефсоновскойгенерации,пропорциональное числу джозефсоновских элементов в цепочке или числу ячеек в двумернойрешетке, имеет место только до тех пор, пока размеры структуры не превышают эффективногорадиуса взаимодействия джозефсоновских элементов в этой структуре.
Радиус взаимодействияможетбытьсущественноувеличенприиспользованиираспределенныхцепейэлектродинамической связи.4. Разработана модель на основе параллельной цепочки “0” и “пи” джозефсоновскихэлементовдляописаниябикристаллическихджозефсоновскихпереходовизвысокотемпературных сверхпроводников, а также аналитический алгоритм вычисленияраспределения плотности критического тока внутри бикристаллического перехода поэкспериментально измеренной зависимости полного критического тока бикристаллическогоперехода от приложенного магнитного поля.Практическая ценностьВ процессе работы были развиты эффективные методы численного моделированиядинамики многоэлементных джозефсоновских структур в присутствие термических флуктуацийи эффективные методы расчета спектра джозефсоновской генерации, в том числе ширинылинии синхронной генерации.Полученныевработерезультатыдаютпониманиепроцессовсинхронизацииджозефсоновской генерации в многоэлементных джозефсоновских структурах и механизмовсужениялиниигенерации.Разработанамодельбикристаллическихджозефсоновскихпереходов, основанная на использовании параллельной цепочки “0” и “пи” джозефсоновскихэлементов.Результаты работы имеют практическую значимость для разработки узкополосныхгенераторов мм и субмм диапазонов длин волн и описания свойств ВТСП джозфсоновскихпереходов.Достоверность результатов, приведенных в диссертации, подтверждается тем, что онибыли получены автором с использованием современных математических методов и6вычислительных средств, современного программного обеспечения и современных методовобработки экспериментальных данных.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
