Введение к работе
Актуальность темы.
Исследование движения флаксонов (джозефсоновских вихрей) в связанных распределённых джозефсоновских переходах (СРДП) представляет большой интерес по ряду причин.
Во-первых, из-за нетривиальности физических процессов, происходящих с флаксонами в таких структурах, представляющих собой N взаимодействующих друг с другом нелинейных систем (нелинейность типа sin). Взаимодействие приводит к ряду новых явлений по сравнению с одиночными РДП (ОРДП).
Во-вторых, СРДП, работающие синфазно в режиме вязкого течения потока [1], могут быть использованы как перестраиваемые генераторы мм и суб-мм диапазонов длин волн с повышенной выходной мощностью по сравнению с генераторами на ОРДП. Ожидается, что мощность такого генератора будет пропорциональна количеству связанных РДП.
В-третьих, некоторые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на атомном уровне имеют слоистую структуру, представляющую собой многослойный джозефсоновскнй переход [2], и могут быть описаны теми же уравнениями, что и СРДП с индуктивным взаимодействием. В дальнейшем под СРДП подразумеваются именно многослойные РДП (МРДП). Таким образом, изучение СРДП позволит выявить и понять процессы, происходящие в ВТСП материалах.
К моменту начала этой диссертационной работы была сформулирована модель и получены основные уравнения, описывающие динамику джозефсоновской фазы в СРДП [3, 4,5], отработана технология изготовления двухслойных РДП на основе (Nb-Al-A10x)/v-Nb и проведены первые эксперименты с такими* структурами [6, 7, 8, 9, 10, 11]. С теоретической точки зрения проблема движения флаксонов в двух связанных РДП впервые была рассмотрена в работе [3]. В более поздних теоретических работах [11, 12, 13, 14] рассматривались, в основном, наиболее простые симметричные и асимметричные решения уравнений, вопросы их стабильности и характеристик излучения.
Цель работы.
Целью данного цикла исследований является теоретическое и экспериментальное изучение статики и динамики линейных (плазменные колебания) и нелинейных (флаксоны или волны большой амплитуды) электромагнитных волн в двух связанных РДП различных геометрий. Конкретными целями работы являются:
Создание програмного обеспечения для численного и экспериментального исследования СРДП.
Численное и экспериметальное изучение статических свойств СРДП [1С(Н), Нс{\ и объяснение ранее полученных экспериментальных данных в рамках существующей модели индуктивного взаимодействия.
Изучение движения флаксонов и линейных волн в двух СРДП с отличающимися параметрами. Выяснение зависимости выходных характеристик генератора, построенного на СРДП, от разброса параметров составляющих его РДП. Нахождение границ существования синхронной генерации и их зависимость от параметров переходов.
Экспериментальное и теоретическое изучение движения флаксонов в более сложных асимметричных конфигурациях, определение характеристик излучения в таких режимах.
В эксперименте в качестве объектов исследований были использованы (Nb-Al-AlOx^-Nb РДП линейной и кольцевой геометрии. Высокое качество и однородность параметров этих структур обеспечили хорошее соответствие экспериментальных результатов теоретическим моделям, использованным для описания и численного моделирования процессов в таких системах.
Научная новизна.
В диссертации впервые получены следующие результаты, которые выносятся на защиту:
1. В рамках резистивной модели разработана численная модель и создана программа для моделирования двух связанных распределённых джозефсоновских переходов. Программа позволяет вычислять распределение джозефсоновской фазы и её производных,
ВАХ, зависимость критического тока от поля и спектр напряжения в произвольной точке РДП.
-
Разработана программа для автоматизации процесса измерений джозефсоновских структур, которая позволяет снимать семейства ВАХ, зависимость критического тока или максимального тока ступеньки от магнитного поля и отклик системы на воздейстпие цифровой последовательности импульсов тока.
-
Теоретически и экспериментально исследованы статические свойства СРДП. Рассмотрена структура зависимости критического тока от внешнего магнитного тока. Дан качественный и количественный анализ принципиально нового явления — захвата критического тока, которое вызвано взаимодействием переходов во время лавинообразного проникновения магнитного потока в один из них.
-
Рассмотрены и классифицированы динамические режимы СРДП. Экспериментально и теоретически продемонстрировано, что в несимметричной флаксонной конфигурации джозефсоновские вихри могут быть ускорены до сверхсвихартовских скоростей, что приводит к возникновению черенковского излучения позади них.
-
Теоретически получено и проверено численным моделированием выражение, позволяющее определить минимальное значение параметра связи между распределёнными переходами, при котором никогда не наступает их десинхронизация.
-
Количественно проанализированы потенциальные возможности СРДП, работающих в различных режимах, в качестве генераторов
мм и субмм диапазонов, а также зависимость выходной мощности таких осцилляторов от разброса параметров переходов. Показано, что в синфазном режиме мощность излучения двух связанных переходов более чем в два раза превышает мощность излучения одиночного перехода.
Практическая ценность.
Практическая ценность состоит в том, что
Разработанное програмное обеспечение (программа численного моделирования двух СРДП и программа измерения джозефсоновских структур) используется в 5 лабораториях Европы.
Результаты проведенных исследований позволяют расчитать выходные характеристики и определить оптимальные режимы работы сверхпроводниковых приборов нового поколения — интегральных приемников мм и субмм диапазонов длин волн. СРДП, работающие в режиме многовихревой динамики, используются в таких приемниках в качестве перестраиваемых узкополосных генераторов гетеродина для накачки смесителей на СИС (сверхпроводник/изолятор/сверхпроводник) переходах [15, 16].
Для двух СРДП с разбросом параметров предложена и экспериментально проверена методика подстройки синхронизации, основанная на пропускании тока вдоль среднего электрода.
Апробация работы.
Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на европейской конференции по прикладной сверхпроводимости EUCAS-95 (Эдинбург, Шотландия, 1995); конференции немецкого физического общества (Регенсбург, ФРГ, 1996); международной конференции по физике низких температур LT-XXI (Прага, Чехия, 1996); конференции немецкого физического общества (Мюнстер, ФРГ, 1997); международной конференции по сверхпроводниковой электронике ISEC-97 (Берлин, ФРГ, 1997);
Личный вклад автора.
Личный вклад автора диссертации состоит в обсуждении и постановке задач, проведении экспериментов, анализе и обработке результатов, проведении численного моделирования, написании программ для автоматизации экспериментальных измерений и численного моделирования. Образцы для проведения экспериментов были изготовлены Н. Kohlstedt, N. Thyssen, и P. Caputo. При разработке программного обеспечения помощь оказывали В. К. Каплуненко (программа автоматизации эксперимента), A. Wallraffn P. Bodin (программа моделирования двух СРДП).
Кроме того, на начальном этапе работы автор принял участие в разработке и исследовании сверхпроводниковых цифровых устройств [А6, А7, А8]. Эти исследования косвенно связаны с темой диссертации и их результаты не выносятся на защиту.
Исследования, составившие представленную диссертацию, были выполнены в ходе проведения научно-исследовательских работ в ИРЭ РАН
и в исследовательском центре г. Юлих, Германия. Работа была выполнена при участии и в соавторстве со студентами, аспирантами и сотрудниками лаборатории сверхпроводниковой электроники ИРЭ РАН, и исследовательского центра г. Юлих, Германия.
Публикации.
