Сверхпроводниковые устройства, основанные на нетривиальных фазовых и амплитудных характеристиках джозефсоновских структур (1104748), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Синтезированы многоэлементные джозефсоновские структуры со специальнымвидом амплитудных характеристик, обеспечивающие высокий уровень линейности (до 80100 дб) и динамического диапазона отклика напряжения на магнитную компоненту сигнала.На основе таких структур могут создаваться высокочувствительные широкополосныеусилители гигагерцового диапазона частот.2. Предложены и экспериментально проверены для структур на основе многослойнойниобиевой технологии приемы защиты формы отклика напряжения многоэлементнойджозефсоновской структуры от негативного влияния распределенного характера структурыи паразитных элементов цепи.3. Предложен и детально исследован новый тип фазового кубита, являющегося тихим.Рассчитаныхарактеристикитихогокубита,включаявремядекогерентности,ипроанализированы физические основы осуществления логических операций с тихимкубитом и способы задания и считывания состояний кубита.4.
Исследованыпроцессытокопереносавгетероструктурахсверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (SFS) с учетом s-d рассеяния электронов в ферромагнетике ивыделены оптимальные SFS гетероструктуры для создания на их основе тихих кубитов.Рассмотренмеханизмсвязитихогокубитанаосновевысокотемпературныхсверхпроводников d-типа с окружающей средой через “узловые” квазичастицы.Практическая ценность работыВ процессе выполнения работы было проведено детальное изучение физическихсвойств, классической и квантовой динамики джозефсоновских структур с нетривиальнымиток-фазовыми и амплитудными характеристиками.В результате проведенного исследования были синтезированы многоэлементные6джозефсоновскиеструктурысоспециальнымвидомамплитудныххарактеристик,обеспечивающие высокий уровень линейности и динамического диапазона откликанапряжения на магнитную компоненту сигнала. На основе таких структур могут создаватьсявысокочувствительные широкополосные усилители гигагерцового диапазона частот.Проведено экспериментальное исследование многоэлементных джозефсоновскихструктур, изготовленных на основе ниобиевой технологии, и изучено влияния топологииструктур и параметров джозефсоновских элементов на свойства функции откликамногоэлементной структуры.Предложен и детально проанализирован новый тип кубита – квантового бита, которыйявляется тихим вследствие предельно слабой связи с окружающей средой.
Рассчитаныхарактеристики тихого кубита, включая время декогерентности, и проанализированыфизические основы осуществления логических операций с таким кубитом.Полученные результаты могут быть успешно использованы в передовых компаниях,занятыхразработкойсверхпроводниковойэлектроники,ислужитьосновойдляпоследующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в областисовременных технологий приема, передачи и обработки информации.Достоверность представленных результатовДостоверность результатов, приведенных в диссертации, подтверждается тем, что онибылиполученыавторомсиспользованиемпередовоговысокотехнологическогооборудования, современных методов обработки экспериментальных данных, а такжеадекватного математического аппарата и программного обеспечения для проведениятеоретических расчетов.
Полученные результаты находятся в соответствии с имеющимисялитературными данными.Личный вкладАвтором лично было выполнено численного моделирование физических процессов вмногоэлементных джозефсоновских структурах с помощью программного комплексаPSCAN, а также другого современного программного обеспечения.
Автором былиисследованы и оптимизированы последовательные, дифференциальные и параллельнопоследовательныеструктуры,обеспечивающиевысокийуровеньлинейностиидинамического диапазона усиления магнитных сигналов.Автором были разработаны и оптимизированы топологии послойных фотошаблоновдля изготовления интегральной схемы на основе современной ниобиевой технологииджозефсоновских структур. Серия экспериментальных образцов была изготовлена фирмой7HYPRES.Исследованияхарактеристик«тихих»кубитовиизучениевозможностейосуществления маловозмущающих логических операций, основанные на квантовомеханическом анализе предложенной системы, проведены автором лично.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались нанаучных семинарах лаборатории криоэлектроники кафедры атомной физики, физики плазмыи микроэлектроники физического факультета МГУ им.
М.В. Ломоносова, а также нанаучном семинаре в Институте радиотехники и электроники РАН. Основные положения ирезультаты диссертации были представлены в 27 докладах на 13 международныхконференциях и симпозиумах:• Международная конференция по прикладной сверхпроводимости (Applied SuperconductivityConference, ASC) в 2004 и 2006 годах;• Международнаяконференцияпосверхпроводниковойэлектронике(InternationalSuperconductive Electronics Conference, ISEC) в 2005 и 2007 году;• Международная европейская конференция по прикладной сверхпроводимости (EuropeanConference on Applied Superconductivity, EUCAS) в 2005 и 2007 году;• Международный симпозиум «Нанофизика и Наноэлектроника» в 2005 и 2006 годах;• Международный семинар по вихревым структурам в сверхпроводниках (Combined ESFVortex and ESF PiShift Workshop и V-th Int. Conf.
on Vortex Matter in NanostructuredSuperconductors, Vortex-V) в 2004 и 2007 годах• Международная конференция по микро- и наноэлектронике (Int. Conf. “Micro- andnanoelectronics”, ICMNE-07) в 2007 году;• Международный студенческий семинар по микроволновым применениям современныхфизических явлений (11th, 12th International Student Seminar on Microwave Applications OfNovel Physical Phenomena) в 2004 и 2005 годах.ПубликацииПо результатам вошедших в диссертацию исследований имеется 10 печатных работ,опубликованных в ведущих отечественных и зарубежных реферируемых журналах.Объем и структура диссертацииДиссертация состоит из общей характеристики диссертационной работы, четырех глав,8заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 125 страниц,включая 63 рисунка, 3 таблицы, и список цитируемой литературы из 102 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ общей характеристики диссертационной работы представлено обоснованиевыбранной темы, сформулированы цели исследования, раскрыты научная новизна,практическая ценность и личный вклад автора.В первой главе приводится краткое описание макроскопических квантовых эффектов всверхпроводниках, лежащих в основе принципов работы устройств сверхпроводниковойэлектроники, а также дается обзор работ по созданию джозефсоновских квантовых битов(кубитов) и обзор достижений в области разработки сквид-усилителей гигагерцовогодиапазона частот.В данном разделе диссертации описано и систематизировано текущее состояниеисследований фазовых и потоковых кубитов, для которых характерная величинаджозефсоновской энергии заметно превышает характерную величину кулоновской энергии.Изложены результаты, доказывающие существование квантовых когерентных осцилляций втаких кубитах, описаны наиболее перспективные подходы к измерению квантовыхсостоянийиосуществлениюлогическихопераций.Кнастоящемувременипродемонстрировано функционирование простейших квантовых регистров из двух-четырехкубитов, а также выполнение двухкубитных логических операций.
Дальнейшее увеличениечисла кубитов в регистре серьезно ограничивается сложностью изготовления таких систем,высокими требованиями к точности задания начальных условий эволюции квантовойсистемы, а также ограниченной величиной времени потери когерентности состояния(0.1…0.5 мкс). Исключительно важную роль в решении этих проблем могут сыгратьджозефсоновские структуры с нетривиальным характером ток-фазовой зависимости (ТФЗ),позволяющиесоздаватьтихиекубиты,предельноизолированныеотвоздействиявысокочувствительныхусилителейокружающей среды.Далеерассматриваетсяпроблемасозданиягигагерцового диапазона частот на основе сквидов постоянного тока.
В этом частотномдиапазоне реализация эффективной цепи следящей обратной связи на сегодняшний день непредставляется возможной, все попытки реализации цепи обратной связи пока не увенчалисьуспехом. Сквид-усилители обладают высокой чувствительностью, в гигагерцовом диапазонеполучено значение шумовой температуры 1-3 К. В то же время температура насыщениясоставляет 100…150 K, и поэтому без цепи следящей обратной связи динамическийдиапазон не превышает 10…15 дб. При переходе от одного сверхпроводящего квантового9интерферометра(сквида)кпоследовательнойилипараллельнойинтерферометров динамический диапазон увеличивается какцепочкеизNN .
Это справедливо также идля сверхпроводящих квантовых интерференционных фильтров (СКИФ) – последовательныхили параллельных цепочек с нерегулярной структурой. Отклик напряжения СКИФ зависиткак от закона распределения эффективных площадей ячеек СКИФ, так и от пространственноамплитудной характеристики СКИФ-структуры. Это позволяет ставить задачу синтезамногоэлементных структур, обеспечивающих одновременно широкий динамическийдиапазон и высокую степень линейности отклика напряжения на магнитную компонентуэлектромагнитного сигнала.Во второй главе излагаются результаты изучения параллельных и последовательныхмногоэлементных джозефсоновских структур на основе сверхпроводящих квантовыхинтерферометров (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
