Введение к работе
Актуальность темы. Сверхпроводниковые переходы и устройства
на их основе представляют наиболее чувствительные и малошумящие
устройства для приема и обработки сигналов практически во всем
диапазоне радиочастот. Наиболее низкочастотные устройства
представлены магнитометрами и градиентометрами на основе
сверхпроводниковых квантовых интерферометров (сквидов), которые на
частотах от долей Герца до сотен килоГерц имеют энергетическое
разрешение порядка 10"30 Дж-с, т.е. близкое к постоянной Планка, и
чувствительность по магнитному потоку 10'5 Фо-с, где Фо =2-10"15 В6 -
квант магнитного потока. Такие магнитометры нашли применение в
магнитокардиографии и магнитоэнцефалографни, геофизике,
сверхнизкочастотной связи. Пикоампер метры на основе сквидов
обладают рекордной чувствительностью при измерении постоянного тока.
На частотах от единиц мегагерц до единиц гигагерц ВЧ усилители на
основе двухконтактных интерферометров (ПТ сквидов) имеют шумовую
температуру от долей до единиц Кельвина и являются самыми
малошумящими и наименее энергоемкими усилителями, которые могут
найти применение для ЯМР измерений, в качестве усилителей ПЧ
сверхпроводниковых смесителей, усилителей базовых станций систем
сотовой связи и др. Параметрические усилители на основе
джозефсоновских переходов имеют чувствительность, близкую к квантовому пределу на частотах от единиц до сотен гигагерц. На частотах, соответствующих миллиметровым и субмиллиметровым волнам 50-500 ГГц, смесители на сверхпроводниковых туннельных переходах не имеют равных по шумовой температуре. В настоящее время такие смесители являются штатными и установлены на большинстве крупнейших радиотелескопов США и Европы. Еще одно важное применение джозефсоновских переходов - это создание генераторов миллиметровых и субмиллиметровых волн, отличающихся исключительно малой потребляемой мощностью и габаритами. На частотах выше 1 ТГц сверхпроводниковые смесители на разогреве электронного газа (т.н. болометры на горячих электронах) имеют наименьшую шумовую температуру.
Во всех перечисленных устройствах наиболее важной характеристикой является приведенная ко входу эффективная шумовая температура, величина которой зависит от типа перехода, существующих в нем источников шумов и механизмов их преобразования. Правильный выбор параметров переходов позволяет снизить шумы создаваемых устройств и улучшить их характеристики. Изучение флуктуации в сверхпроводниковых переходах позволяет получить дополнительные
данные о микроскопических процессах в переходах. В зависимости от соотношения размеров перехода и характерных микроскопических размеров, в частности, диффузионной длины, плотности носителей, наличия дефектов, типа проводимости, в переходах преобладают различные источники шумов и их измерение позволяет определить микроскопические параметры, тип проводимости, качество применяемых материалов. Таким образом, исследование шумов в сверхпроводниковых переходах и устройствах имеет как прикладное, так и фундаментальное значение.
В работе исследованы различные типы сверхпроводниковых переходов со слабыми связями, в том числе точечные контакты Nb-Nb, Nb-V, Nb-Cu, Sn мостики переменной толщины, Nb туннельные переходы типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), ПТ сквиды с Nb-Si-Nb переходами с полупроводниковой прослойкой и шунтированными туннельными переходами Nb-AlOx-Nb, а также джозефсоновские переходы на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) YBaCuO, TlCaBaCuO и др. В исследованных типах переходов определен вклад тепловых, дробовых, фликкерных, квантовых и др. источников шумов в зависимости от параметров переходов (нормального сопротивления, типа прослойки, критического тока и др.) и внешних условий (температуры, магнитного поля, внешнего СВЧ воздействия и др.).
Проведены исследования шумовых характеристик основных типов сверхпроводниковых высокочувствительных устройств: джозефсоновских смесителей и детекторов, спектрометров, сквид-усилителей, джозефсоновских генераторов, смесителей и детекторов на квазичастичной нелинейности СИС переходов и др.
Тематика работы тесно связана с тематикой хоздоговорных и научно-исследовательских работ, ведущихся на протяжении последних 20 лет в Институте радиотехники и электроники РАН. Работа выполнялась в рамках госпрограмм "Актуальные проблемы физики конденсированных сред" (АПФКС), подпрограмма "Сверхпроводимость", программы "Микроэлектроника", "Перспективные информационные технологии", "Фундаментальная физика микроволн", проектов Миннауки и ГКНТ, а также международных проектов, осуществляемых совместно с Чалмерским технологическим университетом (г. Ґетеборг, Швеция), Институтом космических исследований Нидерландов (г. Гроннинген), а также международных проектов INTAS, COPERNICUS, ISF.
Цель работы заключается в определении источников шумов и их вклада в предельные характеристики сверхпроводниковых переходов и
устройств, выяснении основных механизмов преобразования шумов и определении предельных характеристик исследуемых устройств.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать методику измерений и создать измерительную технику для экспериментального исследования шумов на уровне долей нВ/Гц1/2 в широком диапазоне частот от звуковых до СВЧ.
-
Исследовать шумы различных типов переходов в широком диапазоне частот, материалов и характерных размеров для определения их связи с микроскопическими параметрами переходов.
-
Исследовать соотношение различных источников и создать модели, объединяющие различные источники шумов и механизмы их преобразования для получения адекватного отражения экспериментальных зависимостей.
-
Исследовать соотношение тепловых, дробовых и квантовых шумов в смесителях миллиметровых и субмиллиметровых волн для достижения предельных параметров СИС и джозефсоновских смесителей.
5. Исследовать низкочастотные флуктуации в сверхпроводниковых
переходах для достижения предельных параметров квадратичных и
селективных детекторов и Гильберт-спектрометров.
6. Исследовать корреляцию шумов в сквидах для выбора оптимальных
условий согласования и смещения в ВЧ усилителях на ПТ сквидах.
7. Исследовать флуктуации в ВТСП джозефсоновских переходах и
провести сравнение с низкотемпературными переходами, исследовать
предельные параметры джозефсоновских ВТСП детекторов на
субмиллиметровых волнах.
Научная значимость полученных результатов заключается в следующем:
1. Установлена роль дробовых шумов в сверхпроводниковых переходах
различных типов и разработана феноменологическая модель,
связывающая длину перехода и диффузионную длину.
2. В области критического тока обнаружено возрастание шумов,
превышающее тепловые шумы на дифференциальном сопротивлении и
связанное с диссипативным процессом джозефсоновской генерации.
3. Проведен цикл исследований шумов со спектром І/f и проведено
сравнение механизмов возникновения таких шумов и их вклада в
шумовые параметры детекторов и Гильберт-спектометров с учетом
частоты СВЧ сигнала, смещения по постоянному току, типа перехода и
др.
4. Исследованы шумовые свойства джозефсоновских широкополосных и
селективных детекторов и гильберт-спектрометров и определены их
предельные шумовые параметры и динамический диапазон.
5. Детально исследованы специфические шумы, связанные с
джозефсоновской генерацией и джозефсоновским преобразованием в СИС
переходах и получены обобщающие аналитические соотношения,
позволяющие оценить вклад джозефсоновского преобразования в СИС
смесителях субмиллиметрового диапазона.
6. Исследована форма линии джозефсоновской генерации в НТСП и
ВТСП джозефсоновских переходах и определен вклад различных
источников в суммарную ширину линии генерации.
-
Обнаружен новый эффект влияния знака вольтпотокового коэффициента передачи на частоту и шумы сквид-усилителя, связанного с корреляцией различных компонент флуктуационных токов в ПТ сквиде.
-
Эксперименатально обнаружены дробовые шумы в ВТСП джозефсоновских переходах на границе зерен и подтвержден существенный вклад туннельной проводимости в суммарную проводимость таких переходов.
Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:
-
Разработана экспериментальная методика и техника измерения шумов сверхпроводниковых переходов в широком диапазоне частот и импедансов переходов.
-
Предложена и детально обоснована простая, удобная и надежная методика калибровки выходных шумов СИС смесителей по дробовым шумам перехода при смещении выше энергетической щели.
-
Предложен метод определения доли туннельной проводимости различных типов переходов по отношению измеренного токового белого шума к величине по формуле Шотки.
-
Разработана аналитическая модель шумов в сквид усилителе, учитывающая корреляцию флуктуации шумового тока в петле и напряжения шумов на переходах.
-
Создана методика расчета оптимального согласования сквид усилителя, позволяющая достичь предельных параметров усилителя.
-
Разработан метод расчета вклада джозефсоновского преобразования в выходные шумы СИС смесителей и расчета шумовых параметров джозефсоновских преобразователей субмиллиметровых волн.
Автор выносит на защиту следующие основные положения:
-
Экспериментально установлена природа токовых шумов в сверхпроводниковых переходах и их вклад в шумы при различных соотношениях диффузионной длины и длины перехода, типа проводимости.
-
Предсказано, экспериментально установлено и аналитически обосновано новое явление влияния знака вольтпотокового коэффициента на частоту и шумы сквид усилителя, что отражает корреляцию шумовых компонент тока и напряжения.
3. Экспериментально установлен вклад джозефсоновского
преобразования в шумы СИС смесителей и создана аналитическая модель
таких шумов.
4. Экспериментально установлено превышение шумов джозефсоновских
переходов вблизи критического тока над величиной тепловых шумов,
связанное с диссипативным процессом джозефсоновской генерации.
-
Экспериментально обнаружены дробовые шумы в ВТСП джозефсоновских переходах на границе зерен и указано на наличие вклада туннельной проводимости в проводимость переходов такого типа.
-
Методом Гильберт-спектроскопии экспериментально определена ширина и форма линии джозефсоновской генерации в ВТСП переходах на частотах до 850 ГГц и определен вклад различных источников в суммарную ширину линии генерации.
Апробация результатов диссертации. Результаты, включенные в диссертацию, докладывались на:
Международных конференциях по прикладной сверхпроводимости (США) в 1980, 1986, 1990, 1992, 1994, 1996 гг.; Европейских микроволновых конференциях в 1988, 1989, 1990, 1992, 1994, 1995 гг.; Международных конференциях по технологии мм и субмм волн в 1989, 1992, 1994, 1996 г.; Международных конференциях по флуктуационным явлениям в физических системах 1985, 1991, 1994 гг.; Чехословацком симпозиуме по слабой сверхпроводимости 1986, 1989 гг.; Международных конференциях по сверхпроводниковой электронике 1989, 1991, 1993, 1997 гг.; Международной конференции по сквидам и их применениям 1991 г.; Международной конференции по космической технологии терагерцовых частот 1993 г.; Всероссийском совещании по физике низких температур 1994; Международном симпозиуме по физике низких температур и криоэлектронике 1985 г.; Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости 1995; Международной конференции стран-членов СЭВ по физике низких температур в 1983г.; Всесоюзной конференции по радиоастрономической аппаратуре (1989); Всесоюзных школах-семинарах "Эффект Джозефсона в науке и технике" в 1980-1990
гг.; трехсторонних германско-российско-украинских семинарах по высокотемпературной сверхпроводимости 1993, 1996 гг.;и др.
Различные части работы в разное время докладывались и обсуждались на семинарах в МГУ, Институте космических исследований (г. Москва), ИПФАН (Н.Новг.), НПО "Сатурн" (г.Киев), Чалмерском технологическом университете (г.Гетеборг, Швеция), Институте космических исследований Нидерландов в Гроннингене, и др.
По результатам исследований опубликовано более 30 статей в цитируемых научных журналах, более 37 докладов на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, 8 препринтов, получено 1 авторское свидетельство.
Вопросы авторства и публикаций.
Основные результаты описанных в диссертации исследований были опубликованы в 1977-1997 годах в работах [А1-А32], приведенных отдельным списком. Из этих же работ взяты приводимые в диссертации графики и рисунки. В тех случах, когда было необходимо упоминание результатов других авторов, сделаны ссылки на работы, список которых дан в конце работы.
Большинство работ было выполнено в соавторстве со студентами,
аспирантами и сотрудниками лаборатории ИРЭ РАН, в которой
проводилось большинство исследований. В работах по исследованию
шумов [А1, А5, А6, А7, А8, А9, А13, А15, А25, А28, А29, А31] автору
принадлежит постановка задачи, проведение экспериментов, расчеты и
полученные на их основе зависимости и выводы. Эксперимент в работе
[А13] был выполнен совместно с В.Ю.Белицким. В работах по
джозефсоновскому преобразованию [А2, A3, А4, All, А25, АЗО, А31]
вклад автору состоит в создании экспериментальной установки,
проведении экспериментов, расчетах а также обсуждении и интерпретации
полученных результатов. В работах по Гильберт-спектроскопии [А27,
А31] на защиту выносятся лишь экспериментальные результаты, а
теоретические расчеты принадлежат автору метода А.Шульману. В
работах по сквид-усилителю [А17, А20, А21, А22, А26, А28, А29] автору
принадлежит постановка задачи, разработка устройств, проведение
экспериментов и интерпретация результатов. В работах по
преобразованию на СИС переходах [А10, А12, А14, А16, А18, А19] диссертант принимал участие в постановке задачи, проведении экспериментов, а также в интерпретации результатов, касающихся механизмов преобразования шумов. В работах [23, 24] автору принадлежит постановка задачи, участие в разработке конструкции,
экспериментах и интерпретации полученных результатов. Ряд работ был выполнен совместно с сотрудниками других научных учреждений, в том числе МГУ [2,] , СКБ ИРЭ [3, 11], ИФП [А27, АЗІ], ИК [31] где автору принадлежат и выносятся на защиту результаты экспериментальной части работы, расчеты и сделанные на их основе выводы, касающиеся механизмов преобразования шумов. Ряд работ выполнен в соавторстве с сотрудниками зарубежных научных учреждений [А25, А28, А29, А31] где автором выполнена основная часть экспериментальных исследований и расчетов. В случае если отдельные работы были выполнены независимо и практически одновременно автором и другими исследователями за рубежом, в этом случае даны соответствующие ссылки.
Диссертация состоит из 12 глав, сгруппированных в пять частей, включает введение, общую характеристику работы, 11 глав с изложением основных материалов работы, заключения и списка использованных источников. Изложена на 224 страницах, включая 88 рисунков и 4 таблицы.
