Введение к работе
Актуальность.
Среди современных приемников электромагнитного излучения важное место отводится смесителям и детекторам на джозефсоновских переходах [1 ]. Применение торцевых джозефсоновских переходов, выполненных по интегральной технологии на основе низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), позволило создать высокочувствительные детекторы в миллиметровом диапазоне волн. После открытия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) большое внимание уделяется изучению воздействия электромагнитного излучения на тонкие пленки ВТСП. Этот интерес связан как с исследованием физических процессов в этих материалах, так и с перспективами их использования в качестве элементов приемников электромагнитного излучения. Большие по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками величины энергетической щели в ВТСП материалах способствуют расширению частотного диапазона, в котором они могут эффективно использоваться. К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал, посвященный взаимодействию излучения с тонкими пленками ВТСП. Наряду с уже достаточно изученными эффектами, общими для всех сверхпроводников, для объяснения особенностей этого взаимодействия привлекаются специфические механизмы, характерные для структур на основе ВТСП [2 ].
К настоящему времени в ВТСП материалах обнаружено и исследовано несколько видов отклика на микроволновое излучение: болометрический, джозефсоновский, связанный с неравновесным разогревом электронной подсистемы [3 ]. Важным представляется вопрос о возможности существования других механизмов отклика, а также об условиях (частотный диапазон, характерные величины СВЧ мощности и т.д.), при которых они проявляются.
При создании приемных устройств на основе джозефсоновских переходов (ДП) практически весьма важен вопрос об их взаимодействии с внешней электродинамической системой. Это обусловлено тем, что чувствительность приемников определяется величиной потерь на согласование излучения с нелинейным элементом. Требования к ДП как чувствительному элементу приемного устройства во многом противоречивы; взаимодействие ДП с сигнальным трактом в ряде случаев не может быть описано аналитически, а теоретическая модель, допускающая хотя бы численное решение, может быть получена только при значительных упрощениях [1]. Исследованиям же ДП, помещенных во внешнюю электродинамическую систему, имеющую резонансный характер, в настоящее время не уделяется должного внимания.
В связи с этим представляется актуальным проведение комплекса работ, включающего в себя экспериментальные исследования механизмов СВЧ отклика ВТСП ДП, определение доли вклада каждого из них в результирующий отклик, а также анализ особенностей взаимодействия ДП различных типов с внешней электродинамической системой.
Целью диссертационной работы являлось:
экспериментальное исследование различных механизмов детектирования электромагнитного излучения ВТСП тонкопленочными джозефсо-новскими переходами;
определение условий, при которых доминирует тот или иной механизм детектирования электромагнитного излучения;
исследование взаимодействия НТСП ДП с СВЧ излучением в резонансной электродинамической системе.
Научная новизна работы определяется следующими наиболее важными из полученных результатов.
-
В отклике ДП из YBaCuO на бикристаллической подложке на микроволновое излучение наряду с. джозефсоновской компонентой, преобладающей при напряжениях смещения V < Vc, обнаружена компонента, доминирующая при напряжениях V » Vc, и характеризующаяся противоположным знаком по отношению к первому максимуму джозефсо-новского отклика.
-
Существование отклика, не связанного с джозефсоновским механизмом, объясняется стимуляцией неупругого туннелирования квазичастиц через конечное число локализованных состояний под воздействием СВЧ излучения.
-
Обнаружено, что наличие релаксационных колебаний, возникающих на гистерезисных участках ВАХ цепочек торцевых джозефсоновских переходов Nb~Si*-Nb, помещенных в квазиоптический резонатор Фаб-ри-Перо, изменяет характер зависимости частоты джозефсоновской генерации от напряжения смещения, приложенного ко всей цепочке. При положении рабочей точки на гистерезисных участках ВАХ мгновенное значение напряжения на ДП совершает прыжки между значениями 0 и Vc. В результате мощность джозефсоновской генерации максимальна на частотах, близких к fQ = 24Jh, практически отсутствует на более низких частотах и минимальна при/>/с.
-
Обнаружена синхронизация отдельных переходов в последовательных цепочках ТДП Nb-Si*-Nb с гистерезисной ВАХ, осуществляющаяся за счет взаимодействия собственного джозефсоновского излучения переходов с СВЧ резонатором Фабри-Перо, в который помещена цепочка.
-
Обнаружено, что влияние внешней резонансной электродинамической системы приводит к возникновению на участках ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением субгармонических ступенек.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
-
Создан криогенный Фурье-спектрометр миллиметрового и субмиллиметрового диапазона для исследования собственного излучения ДП. Его отличительной особенностью является использование исследуемого ДП в нем одновременно и как источника, и как приемника собственного излучения.
-
Использование в криогенном Фурье-спектрометре многолучевого режима исследований позволило увеличить его разрешение в ~ 10 раз благодаря разработке специализированного программного обеспечения.
-
Обнаружена компонента СВЧ отклика ДП из YBaCuO на бикрис-таллической подложке на микроволновое излучение, которая доминирует при напряжении смещения V»VC и не связана с джозефсонов-ским механизмом проводимости.
-
Показана возможность синхронизации отдельных переходов в последовательных цепочках ТДП Nb-Si*-Nb с гистерезисной ВАХ, обусловленной релаксационными колебаниями, осуществляющаяся за счет взаимодействия собственного излучения переходов с резонатором Фабри-Перо, в которых помещена цепочка, что позволяет увеличить мощность собственного джозефсоновского излучения.
Апробация работы
Основные результаты диссертации были доложены на Международных конференциях по прикладной сверхпроводимости ("ASC-94", Бостон, США; "ASC-96", Питтсбург, США), международном симпозиуме "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves", 1994г., г. Харьков.
Публикации
Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 9 работах, список которых приведен в конце автореферата.
