Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Интенсивный рост информационных потоков в
современном мире стимулирует создание электронных устройств,
способных эффективно осуществлять обработку данных в режиме
реального времени на частотах порядка 300 ГГц и выше. При этом
оказывается, что в ряде случаев традиционные устройства на базе
полупроводниковой технологии могут быть с успехом заменены
устройствами, выполненными на сверхпроводниковой элементной базы.
Эти приборы обладают таким полезным свойствам как малое
энерговыделение и способны работать при низких температурах.
Успешное создание в середине 80-х годов полной системы логических
элементов на базе одноквантовой логики, в которой кодирование
информации осуществляется в виде одиночных квантов магнитного потока
и переход к практическому изготовлению устройств, объединяющих в себе
до нескольких сотен таких логических элементов, явилось убедительным
доказательством перспективности использования сверхпроводниковых
элементов в современной электронике. Известно, что целый ряд устройств
приема обработки и передачи сигналов содержат в своем составе
генераторы высокочастотного сигнала. Поэтому вопрос проектировки и
изготовления высокочастотных осцилляторов с использованием
сверхпроводниковой элементной базы является в настоящее время актуальной задачей. Возможность использования в качестве таких осцилляторов одиночных джозефсоновских переходов ограничена малой мощностью, которую они способны развить во внешней цепи. Теоретический анализ показывает, что альтернативным решением могли бы явиться одномерные и двумерные структуры джозефсоновских
переходов. При этом в таких структурах должно реализовываться синхронное синфазное состояние, являющееся необходимым условием получения выходной мощности, достаточной для практического использования. В данной работе проведено теоретическое исследование возможности использования двумерных структур джозефсоновских переходов в качестве высокочастотных осцилляторов. Разработан асимптотический метод, позволяющий в ряде случаев провести решение динамических уравнений двумерных структур в замкнутой форме и определить условия образования и устойчивости синхронного состояния. Сформулированы основные требования к технологии изготовления двумерных структур. Предложены новые схемотехнические решения базовых ячеек двумерных структур.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью данной работы является анализ возможности использования двумерных структур джозефсоновских переходов в качестве высокочастотных осцилляторов, а также разработка аналитических методов анализа динамических процессов в элементарных ячейках таких структур.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе развит оригинальный метод анализа динамики двумерных систем джозефсоновских переходов во внешнем магнитном поле.
Впервые обоснована и разработана апрокснмационная схема для решения уравнений, описывающих динамику базовых элементов двумерных структур - многоконтактных интерферометров с малой индуктивностью L. С использованием данной схемы решен вопрос о влиянии магнитного поля на процессы внутренней синхронизации в многоконтактных интерферометрах и синхронизации интерферометра внешним высокочастотным сигналом.
Получены аналитические выражения для полосы синхронизации интерферометра как функции магнитного поля.
Впервые получены укороченные уравнения динамики двумерных систем с учетом конечной индуктивности сверхпроводящих контуров системы и конечной емкости джозефсоновских переходов. Проведен учет влияния резонансных контуров на динамику систем. Впервые получены аналитические выражения для частот синфазных и противофазных колебаний в двумерных структурах .
Выявлен механизм внутренней синхронизации джозефсоновских переходов внешним магнитным полем. При этом показано, что присутствие магнитных полей в двумерных структурах существенно затрудняет получение синхронных состояний с высоким уровнем мощности, накладывая значительно более жесткие по сравнению с одномерным случаем ограничения на технологический разброс критических токов переходов. Проведено численное моделирование исследуемых структур. С его помощью выполнена оценка предельно допустимых значений разброса критических токов.
В диссертации предложены схемотехнические решения, ведущие к ослаблению влияние внутреннего механизма.
Исследованы условия образования синхронного состояния в двумерных массивах джозефсоновских переходов с внешней нагрузкой. Впервые получены укороченные уравнения для нескольких типов двумерных структур, позволяющие описать конкуренцию внутреннего и внешнего механизмов при образовании синхронных состояний. При анализе устойчивости синхронных состояний впервые получены аналитические выражения для коэффициентов Ляпунова. На основе этих выражений сформулированы основные требования на устройство внешней нагрузки.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что полученные результаты могут быть использованы при проектировании и изготовлении двумерных структур джозефсоновских переходов, а также устройств на базе многоконтактных сверхпроводниковых интерферометров.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались:
- на международной конференции по прикладной сверхпроводимости
(ASC):
1. М. Basler, W. Krech, and К. Yu. Platov. Theory of phase-locking in simple two-dimensional Josephson junction arrays with small inductance. IEEE Trans. Appl. Supercond.v7, N2, 3130-3133 (1997).
- на конференциях Немецкого Физического Общества :
-
М. Basler.W. Krech and К. Yu. Platov Synchronisationseffekte in Stark Induktiv Gekoppelten SQUID-Zellen, Verhandl. DPG (3/1995), S. 1730.
-
K. Yu. Platov, M. Basler und W. Krech, Untersuchungen zur Phasensynchronisationzweidimensionaler Arrays von Joseplisonkontakten im aeusserenMagnetfeld;Verhandlgn. DPG (6/1996), S. 2025.
-
M. Basler, W. Krech und K.Yu. Platov, Theoretische Untersuchungen zur Synchronisation in einfachen 2D Josephson-Netzwerken; Verhandlgn.DPG (6/1996), S. 2041.
-
W. Krech, K.Yu. Platov und M. Basler, Symmetriebrechung und Phase-Locking in zweidimensionalen Josephsonkontakt-Anordnungen; Verhandlgn.DPG(5/1997),S. 1014.
-
W. Krech, M. Basler und K.Yu. Platov, Analytische Resultate zuin Phase-Locking in integrierten 2D Josephsonkontakt-Anordnungen; Verhandlgn. DPG(5/1997), S. 1014.
-
W. Krech und K.Yu. Platov, Theoretische Untersuchung der Dynamik des Multi-Joseplisonkontakt-Interferometers im extemen Magnetfeld; Verhandlgn. DPG(5/1998),S. 961
- на международной конференции по сверхпроводящим устройствам и
материалам (ISEC):
1. М. Basler, W. Krech, and К. Yu. Platov. Phase locking in Josephson junction ladder arrays: analytical results. Proceedings of ISEC 97 v3, 201-203,Berlin 1997.
2. M. Basler, W. Krech, and K. Yu. Platov. Intrinsic mechanism of phase locking in two-dimensional Josephson junction arrays. Proceedings of 1SEC 97 v3, 177-179, Berlin, 1997.
ПУБЛІІКАЦИИ. Всего no теме диссертации опубликовано 11 работ в
реферируемых журналах и сделано 9 докладов на международных
конференциях.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из предисловия, пяти глав,
заключения: и списка литературы (111 наименований). Объем диссертации
составляет 109 страниц печатного текста, включая 32 рисунка.
