Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В настоящее время сверхпроводящая электроника является быстро развивающимся разделом физики. Открытие в 1962г. эффекта Джозефсона дало мощный импульс к её развитию и позволило создать множество электронных приборов на его основе, таких как сверхпроводящие интерферометры, усилители на их основе, смесители на базе структур сверхпроводник изолятор сверхпроводник (SIS), цифровая логика и генераторы, уникальность которых состоит в малом энергопотреблении, малых шумах и принципиально высоких рабочих частотах. Джозефсоновские генераторы обладают возможностью электронной перестройки частоты, определяемой соотношением Джозефсона Тшз = 2eV, где и? - частота излучения, V - напряжение на джозефсоновском переходе.
Однако характерные напряжения и мощности для одиночного точечного джозефсоновского перехода малы, поэтому в настоящее время активно исследуются три основных направления создания генераторов на базе джозефсоновских переходов (ДП), позволяющих повысить мощность излучения:
первое - это системы состоящие из большого числа точечных ДП, в которых для получения синфазного излучения необходимо принимать специальные меры;
второе - это генераторы на базе распределённого (длинного) джозефсоновского перехода. Такие генераторы, носящие в англоязычной литературе название Flux-flow oscilator, нашли применение в интегральных сверхпроводящих приёмниках для накачки сверхпроводящих смесителей. В длинном ДП, движется цепочка джозефсоновских вихрей и излучение возникает только при взаимодействии джозефсоновского вихря с краем джозефсоновского перехода, вследствие чего мощность излучения и коэффицент полезного действия оказываются низкими. Спектр излучения определяется флуктуациями расстояния между соседними вихрями. Стабилизация расстояния определяется взаимным отталкиванием вихрей, поэтому спектр излучения плотных вихревых цепочек более узкий. В связи с этим, представляется естественным попытаться создать структуры на базе ДП, в которых достигается когерентное взаимодействие цепочки джозефсоновских вихрей с полем излучения на всей длине ДП. Такое взаимодействие должно дополнительно стабилизировать расстояние между вихрями, причём не только между ближайшими соседями, к которому приводит отталкивание вихрей, а, напротив, на всей длине ДП;
третье - это генераторы на базе многослойных ДП. Современная тех-
„ Рос. |1ЛЦ»ГЧМЛЬ«^> J
** г. и ел и от».* л I
нология позволяет создавать многослойные ДП типа (NbAi-AlO^Jn Nb, с числом слоев п = 20 и более с небольшим разбросом параметров. Кроме того, многие высокотемпературные сверхпроводники представляют собой естественные многослойные ДП. Максимальное излучение из многослойных ДП достигается, когда вихри в различных слоях движутся синфазно один под другим. Однако, для длинного многослойного ДП характерной является ситуация, когда джозефсоновские вихри в различных слоях выстраиваются со сдвигом фазы так, чтобы излучение структуры было минимально. В двухслойном ДП движущиеся вихри выстраиваются проти-вофазно, в трёхслойном противофазно или со сдвигом фазы 27г/3. Только в случае длинных двухслойных ДП со слабой связью ранее наблюдалось излучение синфазно движущихся вихрей, и было установлено, что при увеличении связи этот режим исчезает. Однако, слабой связи соответсву-ет большая толщина промежуточных слоев сверхпроводника в структуре, и, следовательно, небольшое число слоев в структуре. Кроме того, связь в высокотемпературных сверхпроводниках всегда сильная, поэтому представляется интересным исследовать новые подходы к созданию систем на основе многослойных ДП, в которых достигается синфазное излучение.
Цели диссертационной работы
экспериментальное и численное исследование механизма черен-ковского излучения джозефсоновскими вихрями линейных волн в длинных джозефсоновских переходах со шлейфовой периодической замедляющей системой;
экспериментальное и численное исследование синфазной синхронизации движения вихрей в многослойных ДП с длиной порядка джозефсоновской глубины проникновения, синхронизация в которых достигается благодаря взаимодействию с резонансом Фиске синфазной моды плазменных волн;
численное и экспериментальное исследование возможности получения режима синфазного движения джозефсонвских вихрей в слоях многослойного ДП за счёт замедления скорости Свихарта синфазной моды линейных волн с помощью периодической замедляющей системы.
Научная новизна
-
Численно и экспериментально исследован эффект черенковского взаимодействия джозефсоновских вихрей и линейных волн в длинном джозефсоновском переходе, связанном с периодической замедляющей системой.
-
Экспериментально исследован эффект синфазной синхронизации движения джозефсоновских вихрей под воздействием резонансов Фиске в многослойном сильносвязанном джозефсоновском переходе.
-
Численно и экспериментально исследован генератор на многослойном джозефсоновском переходе, в котором синфазная синхронизация движения джозефсоновских вихрей достигается благодаря воздействию периодической замедляющей системы.
Научная и практическая значимость
Экспериментальные и численные результаты, полученные в диссертации, развивают представления о взаимодействии нелинейных волн и излучения в сложных системах джозефсоновских переходов.
Исследованные способы получения когерентного взаимодействия джозефсоновских вихрей и линейных волн указывают путь улучшения спектральных характеристик и повышения мощности излучения из систем с джозефсоновскими переходами.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Впервые экспериментально продемонстрировано черенковское взаимодействие джозефсоновских вихрей и линейных мод в длинном джозефсоновском переходе, связанном с пространственно-периодической шлейфовой замедляющей системой. Проявлением этого взаимодействия является появление резонансных ступенек на вольт-амперных характеристках джозефсоновских переходов со шлейфами и наличие излучения на частотах, не отвечающих соотношению Джозефсона.
-
Произведено численное моделирование джозефсоновского перехода со шлейфами, и обнаружено черенковское возбуждение линейных мод, сужение спектра излучения по сравнению с гладкими переходами, возбуждение высоких гармоник джозефсоновской частоты.
Проведено сравнение экспериментальных и численных результатов, а так же предсказаний известных теоретических моделей, и обнаружено их хорошее соответствие.
-
Впервые экспериментально наблюдалась синфазная синхронизация движения джозефсоновских вихрей на резонансах Фиске в сильносвязанных двухслойных джозефсоновских переходах. Мощность синфазного излучения двухслойного джозефсоновского перехода оказывается более, чем в 4 раза выше, чем для одного излучающего перехода, когда другой находится при нулевом напряжении. Тем самым продемонстрирован эффект гиперизлучения, предсказанный ранее теоретически.
-
С помощью компьютерного моделирования показано, что в кольцевом двухслойном джозефсоновском переходе возможен переход от противофазного режима движения вихрей к синфазному, обусловленный замедлением скорости синфазной моды с помощью периодических шлейфов.
Апробация работы
Материалы вошедшие в работу обсуждались на семинарах ИФМ РАН, Forschungs Zentrum Julich (Юлих, Германия), докладывались на международных конференциях по сверхпроводимости: по прикладной сверхпроводимости в США ASC94, ASC98 [А1, A3]; на трёхстороннем германско-русско-украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости 1998 [А5]; германской конференции BMBF по сверхпроводимости и низкотемпературной технике 2000 [А6]; на европейской конференции по сверхпроводимости EURESCO-2000 [С7]; международной конференции по сверхпроводящей электронике ISEC-2001 [А9]; на европейской конференции по прикладной сверхпроводимости [А10].
Публикации
Результаты полученные в работе опубликованы в реферируемых журналах [А1, A3, А5], в сборниках отчётов по проектам МНТП РФ "Физика микроволн"[А2, А4] и в тезисах конференций [А6-АЮ].
Личный вклад автора в получение результатов
Личный вклад автора в перечисленные выше работы состоял в следующем: в работах [Al, А2] - проведение экспериментальных исследований
Рис. 1. Схематичное изображение длинного джозефсоновского перехода со шлейфами и цепочкой движущихся в нём вихрей. Дисперсионная характеристика линейных волн в такой системе.
на образцах с цепочками ДП; в работах [A3, А4, А6-А8] - расчёт, оптимизация и изготовление образцов длинных ДП с шлейфовыми замедляющими системами, проведение экспериментальных и численных исследований, сопоставление полученных результатов с теоретической моделью; в работе [А5] - изготовление образцов многослойных ДП и их первоначальное тестирование, обсуждение результатов; в работах [А9.А10] -проведение численного моделирования для двухслойных ДП с периодической шлейфовой замедляющей системой.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации — 124 страницы, включая 28 таблиц и 51 рисунок. Список литературы состоит из 62 наименований.
