Введение к работе
Актуальность темы
Исследование эффектов резонансного излучения, возникающих при івижении солитонов в джозефсоновских линиях передачи, представляет как фундаментальный, так и прикладной интерес.
Дело в том, что взаимодействие вихрей и линейных волн может играть ключевую роль в динамике контактов [1,2,3,4,5,6]. В свою очередь, :войства многих сверхпроводящих материалов определяются именно имеющимися в них джозефсоновскими переходами.
В первую очередь это, конечно, искусственные джозефсоновские лруктуры. Но, кроме того, к числу таких систем относятся, например, гранулированные сверхпроводники, которые могут рассматриваться как этдельные гранулы "хорошего" сверхпроводника с большими критическими токами, соединенные между собой слабыми связями -[щозефсоновскими контактами, смотри [7] и ссылки из этой работы. Джозефсоновские контакты могут также образовываться на дефектах, возникающих, например, при росте ВТСП пленок. Наличие же внутри пленок джозефсоновских контактов существенно влияет на их параметры [8]. Кроме того, было обнаружено, что некоторые высокотемпературные :верхпроводники, такие как BiBaCuO и TlBaCuO, фактически представляют :обой двумерные сверхпроводящие плоскости, . между которыми эбразуются контакты Джозефсона [9]. Для объяснения свойств таких материалов учет особенностей динамики джозефсоновских контактов и эффектов резонансного излучения совершенно необходим [10].
С другой стороны, джозефсоновские контакты являются перспективными источниками микроволнового излучения в диапазоне 100-600 ГГц. На их основе уже разработаны компактные генераторы СВЧ излучения, применяемые, например, для накачки смесителей [11]. Принцип работы таких приборов состоит в следующем. В длинном цжозефсоновском контакте под действием тока накачки движется вихрь. Когда вихрь достигает края контакта, происходит излучение электромагнитных волн в выходную волноведущую систему. Частота излучения при этом определяется частотой выхода флаксонов на границу контакта и зависит, соответственно, от скорости движения вихрей и от расстояния между солитонами. Принципы работы и первые экспериментальные реализации таких генераторов описаны в работах [12,13,14,15,16]. Шумы в данных устройствах определяются флуктуацией расстояний между вихрями [17,18,19], и для уменьшения уровня шумов необходимо использовать достаточно плотную вихревую цепочку.
Бросающимся в глаза недостатком генератора на движении квантої магнитного потока является то, что вихрь излучает лишь в малой області (порядка размера вихря, ( 5 микрон ) вблизи границы. Движение же вихр: внутри контакта (длина ( 300 микрон ) приводит лишь к диссипациі энергии. Пользуясь аналогией с классической теорией поля, можно сказать что используемые в настоящее время генераторы основаны на эффект переходного излучения, когда роль неоднородности выполняет границ: контакта и приемной волноведущей системы.
Использование эффектов типа черенковского излучения вихрей движущихся в джозефсоновской линии передачи с дисперсией, позволяв' организовать взаимодействие между солитонами и излучаемыми волнамі во всем объеме контакта [10,20,21,22,23,24,25,26]. Это дает возможность во-первых, существенно увеличить мощность генерации, а во-вторых поскольку черенковское излучение это резонансный эффект, ТО МОЖН( ожидать также сужения полосы генерации.
Поэтому рассмотрение эффектов черенковского и тормозной излучения джозефсоновских вихрей в различных системах являете: актуальной проблемой и может служить предметом диссертационноі работы.
Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы является исследованш динамики солитонов и линейных волн в одно- и двумерных линиях переда1 с дисперсией. Конкретными целями работы являются:
-
Аналитическое и численное исследование черенковского і тормозного излучения, возникающего при движении вихрей I одномерных структурах, состоящих из джозефсоновскт контактов, электродинамически связанных с flonoflHHTeflbHbiMJ линейными волноведущими системами. Исследование зависимости мощности и частотного диапазона излучения от параметров контакта и волноведущей системы. Расчет мощности у частоты излучения для экспериментально реализуемых схем.
-
Теоретическое исследование коллективных эффектов возникающих при взаимодействии флаксонов с полем излучения Изучение возможности использования эффекта группировю вихрей для усиления и генерации электромагнитных волн Получение численных оценок для параметров излучения.
-
Численное исследование вихревых конфигураций в двумерны; кольцевых контактах.
4. Численное и аналитическое исследование черенковского излучения в двумерных кольцевых джозефсоновских переходах. Выяснение возможности использования этого эффекта для генерации микроволнового излучения.
Научная новизна
В диссертации впервые получены следующие результаты, которые выносятся на защиту.
1. Рассмотрено движение вихрей в джозефсоновской линии передачи с
дисперсией. Показано, что при этом возникает черенковское излучение,
если в системе существует волна, фазовая скорость которой равна скорости
джозефсоновских солитонов. Сделанные оценки позволили
продемонстрировать, что при реальных параметрах энергия, запасенная в
радиационном хвосте, значительно превышает собственную энергию вихря.
Поэтому энергия, которая высвечивается в приемігую антенну при
достижении вихрем края контакта, оказывается больше в том случае, когда
выполнено условие черенковского синхронизма. Таким образом,
использование черенковского излучения значительно повышает
эффективность генерации. Кроме того, в этом случае проще решается
проблема вывода излучения, поскольку гораздо легче осуществить
согласование с внешним устройством полосковой линии, чем
джозефсоновского контакта.
-
Показано, что осцилляции скорости солитона, возникающие, например, из-за неоднородного тока накачки, приводят к тормозному излучению, содержащему целый ряд гармоник, и к подавлению собственно черенковского излучения. Тормозное излучение вихрей является одним из эффектов, которые приводят к образованию тонкой структуры на ВАХ контактов. Показано, что при движении вихревой цепочки, для достижения максимальной мощности излучения, необходимо выполнение пространственного синхронизма, обеспечивающего когерентное излучение от всех вихрей.
-
Исследованы периодические структуры, позволяющие легко реализовать черенковский синхронизм между джозефсоновскими вихрями и линейными модами. Продемонстрировано, что дисперсионные свойства линейных волн в таких схемах легко меняются подбором параметров полосковых линий. Это позволяет обеспечить требуемое замедление волн в широком диапазоне частот. Поэтому частота излучения генератора, реализованного на периодической системе полосковых линий, может перестраиваться изменением тока накачки и внешнего магнитного поля.
Потери в замедляющей системе на основе полосковых линий остаются малыми, что обеспечивает высокую эффективность генерации.
4. Исследован вопрос об оптимальном нагрузочном импедансе.
Показано, что он зависит от размеров системы. Найден критерий,
позволяющий определить, когда для получения максимальной мощности
излучения схема должна быть согласована с внешним устройством, а когда
необходимо использовать несогласованную нагрузку. Показано, что
реально изготовляемые системы являются длинными в масштабе
нарастания волн, и для достижения максимальной мощности их концы
должны быть согласованы с приемным устройством.
-
Проведено исследование нелинейных эффектов и показано, что они могут быть ответственны за ограничение амплитуды излучаемой волны. Эти же эффекты определяют и пространственный масштаб нарастания моды. Выяснено, что при типичных параметрах контакта н полосковых линий выгодно использовать такую систему, когда резонансная волна распространяется, в основном, в полосковой линии. Это позволяет ослабить подавление источника возбуждаемой волной и добиться максимальной мощности излучения. При этом оптимальная связь зависит от дисперсионных свойств системы, ее длины и констант диссипации, существенно различающихся для контакта и полосковой линии.
-
Показано, что существует достаточно широкая область параметров, когда наличие черенковского синхронизма при несовпадающих пространственных периодах резонансной волны и цепочки вихрей приводит к развитию группировочной неустойчивости. Обнаруженный эффект аналогичен эффекту группировки электронов в приборах типа лампы бегущей и обратной волны. Наличие неустойчивости подобного рода может использоваться как для усиления волн (если рабочая мода вблизи точки синхронизма является прямой волной), так и для генерации излучения (если вблизи точки синхронизма рабочая мода является обратной волной, или если в системе есть положительная обратная связь). Мощность, генерируемая системой после выхода всех процессов на стационарный режим, может быть порядка нескольких микроватт, что является достаточно высоким уровнем для приборов данного класса.
7. Исследован процесс формирования вихревых струн в двумерных
кольцевых джозефсоновских контактах. Показано, что магнитное поле
формируется в струны, если размер контакта велик по сравнению с
джозефсоновской длиной. Исследовано влияние внешнего статического
магнитного поля на образование в вихрей в двумерном контакте.
Обнаружено, что приложение внешнего магнитного поля приводит к изгибу
солитонных струн и формированию спиральных вихрей. При отсутствии же
захваченного потока, но наличии сильного внешнего тангенциального магнитного поля в джозефсоновский контакт проникают кольцевые вихри.
8. Рассмотрено движение вихревых струн при постоянном токе накачки. Обнаружено, что, когда ток становится достаточно большим и линейная скорость внешнего участка струны превышает скорость Свихарта, за солитоном возникает радиационный хвост. При этом поле излучаемой волны сосредоточено вблизи внешней границы и имеет структуру моды шепчущей галереи. При дальнейшем росте скорости вихря происходит уменьшение частоты излучения и увеличение его амплитуды. Проанализировано влияние внешнего магнитного поля на излучение вихревой нити. Показано, что оно влияет лишь на амплитуду возбуждаемой волны и на предельный ток накачки, при котором происходит разрушение вихревого состояния. Развита теория, позволяющая объяснить все наблюдаемые в численном эксперименте эффекты. Предсказано образование на ВАХ контакта тонкой структуры, связанной с черенковскими резонансами. Показано, что в кольцевом контакте одним из возможных сценариев разрушения вихревого состояния является постоянное рождение из поля излучения новых пар вихрь-антивихрь. Продемонстрировано, что в кольцевом контакте можно осуществить электронную перестройку частоты генерации, сохранив все достоинства резонансного излучения. Проделанное исследование позволяет утверждать, что использование геометрической дисперсии волн в круглых контактах может позволить создать эффективный генератор электромагнитного излучения СВЧ диапазона с электронной перестройкой частоты.
Основные работы по теме диссертации выполнены в период с 1993 по 1998 год.
Научная и практическая ценность
Разработанные в ходе проведенных исследований подходы позволяют получать аналитические формулы для полей черенковского и тормозного излучения, находить его мощность и условия возникновения, а также строить вольт-амперные характеристики джозефсоновских контактов, связанных с дополнительными волноведущими системами. Полученные результаты дают возможность проводить электродинамический расчет экспериментально реализуемых двухслойных схем, в которых возможно наблюдение черенковского излучения. Это, во-первых, дает возможность провести сравнение теоретических и экспериментальных результатов и объяснить, например, образование тонкой структуры на вольт-амперных характеристиках некоторых образцов [27,28]. Во-вторых, построенная
теория позволила сформулировать концепцию более эффективного генератора на движении потока (FF oscillator), использующего эффект черенковского излучения. Полученные результаты позволяют проводить электродинамический расчет и оптимизацию параметров такого генератора.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на II международной школе-
семинаре "динамические и стохастические волновые явления" (Dynamical
and Stochastic wave phenomena), Нижний Новгород, Россия, 1994; на 4-ой
международной конференции "Материалы и Механизмы
Сверхпроводимости Высокотемпературных Сверхпроводников" (Materials
and Mechanisms of Superconductivity High Temperature Superconductors),
Гренобль, Франция, 1994; на Международной Конференции по Прикладной
Сверхпроводимости (International Conference on Applied Superconductivity),
Бостон, США, 1994; на Международной конференции по
Сверхпроводниковой Электронике (International Superconducting Electronic
Conference), Нагойа, Япония; на VIII Трехстороннем Германо-Российско-
Украинском Семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости,
Львов, Украина, 1995; на Международной Конференции Студентов-
Физиков, Копенгаген, Дания, 1995; на IX трехстороннем Германо-
Российско-Украинском Семинаре по Высокотемпературной
Сверхпроводимости (IX Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on
High Temperature Superconductivity), Гебельбах, Германия, 1996; на I
Нижегородской Сессии Молодых Ученых, Нижний Новгород, 1996; на II
международной конференции "Дифференциальные уравнения и их
приложения", Саранск, Россия, 1996; на Международной конференции по
Сверхпроводниковой Электронике (International Superconducting Electronic
Conference), Берлин, Германия, 1997; на II Нижегородской Сессии
Молодых Ученых, Нижний Новгород, 1997
Публикации
Основное содержание работы отражено в публикациях [A-L].
Объем и структура диссертации
