Экспериментальное исследование когерентного излучения в распределённых джозефсоновских системах

2.1.1 Актуальность задачи... .63.

2.1.2 Генераторные свойства многослойных джозефсоновских переходов состояние вопроса и выбор направления исследований.. .64.

2.1.3 Идея и цели исследования.65.

2.1.4 Методы и результаты. .66.

2.1.5 Структура главы.67.

2.2 Электродинамическая модель многослойных ДП. .68.

2.3 Численное исследование вихревой динамики в многослойных джозефсоновских переходах.71.

2.4 Экспериментальное исследование динамики движения вихрей и резонансных свойств многослойных распределённых джозефсоновских переходов.. 73.

2.4.1 Апробация экспериментальных методов поиска условий существования синфазного излучения на ДП с большим числом слоёв.73.

2.4.2 Определение конструктивно-технологических параметров многослойных ДП. .76.

2.4.3 Определение эффективной толщины внутренних сверхпроводящих слоёв многослойных джозефсоновских переходов.77.

2.5 Заключение.94.

3 Исследование влияния периодической замедляющей системы на устойчивость прямоугольной вихревой решётки в многослойных джозефсоновских переходах. 97.

3.1 Введение.97.

3.1.1 Актуальность и состояние темы исследования.97.

3.1.2 Цели исследования.98.

3.1.3 Методы и результаты.98.

3.1.4 Структура главы.99.

3.2 Условие устойчивости прямоугольной вихревой решётки при замедлении синфазной моды волн.99.

3.3 Численное моделирование двухслойных ДП с шлейфами.100.

3.3.1 Построение численной схемы.100.

3.3.2 Численное моделирование.101.

3.4 Экспериментальное исследование двухслойных ДП с шлейфами.107.

3.5 Заключение.110.

Заключение

111.

Благодарности 112.

А Список обозначений физических величин 114.

Актуальность работы.

В настоящее время сверхпроводящая электроника является быстро развивающимся разделом физики. Открытие в 1962 г. эффекта Джозефсона [1, 2] 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 hui = 2eV, где ш — частота излучения, V — напряжение на джозефсоновском переходе.

В настоящее время активно исследуются три основных направления создания генераторов на базе Джозефсоновских переходов (ДП):

Первое — это системы состоящие из большого числа ДП [3, 4, 5]. Для получения синфазного излучения в таких системах принимают специальные меры.

Второе — это генераторы на базе распределённого (длинного) Джозефсоновского перехода, размерами которого вдоль одной из координат нельзя пренебрегать, в которых используется излучение движущихся в нём джозефсоновских вихрей [6, 7, 8, 9, 10]. Такие генераторы, носящие в англоязычной литературе название Flux-flow oscilator, нашли применение в интегральных сверхпроводящих приёмниках для накачки SIS смесителя [11, 12]. Однако, в генераторе, работающем на тагам принципе, излучение возникает только при взаимодействии джозефсоновского вихря с краем джозефсоновского перехода, в следствии чего мощность излучения и коэффицент полезного действия оказываются низкими. Спектр излучения определяется флуктуациями расстояния между соседними вихрями [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19], Стабилизация расстояния определяется взаимным отталкиванием вихрей, поэтому спектр излучения плотных вихревых цепочек более узкий. Поэтому представляется естественным попытаться создать структуры на базе ДП, в которых достигается когерентное взаимодействие цепочки джозефсоновских вихрей с полем излучения на всей длине ДП [20, 21, 22, 23, 24]. Такое взаимодействие должно дополнительно стабилизировать расстояние между вихрями, причём не только между ближайшими соседями, как отталкивание вихрей, а напротив на всей длине ДП. Кроме того, сбор мощности излучения будет также происходить на всей длине ДП.

Рис. 1* Схематичное изображение исследуемых структур: ДП (чёрный цвет) и пассивная область с шлейфами (серый цвет).

Третье — это генераторы на базе многослойных ДП. Современная технология позволяет создавать многослойные ДП типа (NbAl-AlO^n Nb, с числом слоев п более 20 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 [25]. В двухслойном ДП вихри выстраиваются противофазно, в трёхслойном со сдвигом фазы 2л/3. Только с случае многослойных ДП со слабой связью наблюдалось синфазное излучение [26, 27]. Однако, слабой связи соответсвует большая толщина промежуточных слоёв сверхпроводника в структуре, и следовательно небольшое число слоёв 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 [2 В, 29, 30].

Идеи и цели работы.

В первой главе настоящей работы экспериментально и численно исследуется возможность использования механизма черенковского излучения для достижения синфазного вклада в излучение множества джозефсоновеких вихрей, движущихся в длинном однослойном ДП. Как известно, в обычном длинном ДП скорость движения джозефсоновеких вихрей всегда ниже скорости Свихарта, а скорость линейных («плазменных») волн всегда выше скорости Свихарта, поэтому когерентное взаимодействие между ними внутри ДП невозможно. Однако, если с помощью периодической внешней замедляющей системы уменьшить скорость плазменных волн, то становится возможным черепковское взаимодействие между ними и джозефсоновскими вихрями, см. рис. 1.

Основной целью работы, проделанной в первой главе, является экспериментальное и численное исследование динамики движения джозефсоновеких вихрей и их взаимодействия с линейными волнами в ДП с периодической замедляющей системой.

Во второй и третьей главах исследуется возможность получения синфазного излучения от джозефсоновских вихрей движущихся в различных слоях многослойных ДП.

Во второй главе рассматриваются сильно связанные многослойные ДП с длиной порядка джозефсоновской глубины проникновения, в которых синфазная синхронизация движения вихрей достигается благодаря взаимодействию с резонансом Фиске синфазной моды плазменных волн [28].

Основной целью работы, проделанной во второй главе, является экспериментальное и численное исследование динамики джозефсоновской разности фаз в коротких многослойных ДП и возможности получения режима синфазного проскальзывания фазы синхронизированного с резонансом Фиске синфазной моды линейных волн.

В третьей главе рассматривается возможность применения периодической замедляющей системы для замедления синфазной моды плазменных волн. Как было показано в работе [29, 30], при достаточном замедлении синфазное движение джозефсоновских вихрей становится устойчивым.

Основной целью работы, проделанной в третьей главе, является численное и экспериментальное исследование возможности получения режима синфазного движения джо-зефсонвских вихрей в слоях многослойного ДП за счёт замедления скорости Свихарта синфазной моды линейных волн с помощью периодической замедляющей системы.

Основные методы исследования и результаты полученные в работе.

Основным методом используемым в первой и второй главах диссертации является экспериментальное исследование, основными приёмами которого являются измерение вольт-амперных характеристик, спектральных свойств и интенсивности излучения и условий его возникновения. Для интерпретации полученных результатов и сравнения с предсказаниями теоретических моделей применяется численное моделирование с переходом от дифференциальных уравнений к конечно-разностным схемам. Основные результаты третьей главы получены на основе численного моделирования.

В результате проведённых исследований получены следующие результаты, определяющие научную новизну работы и выносимые на защиту:

В первой главе диссертации:

Численно и экспериментально продемонстрировано наличие резонансного взаимодействия джозефсоновских вихрей и медленных линейных волн в периодической замедляющей системе.

Разработана компьютерная программа моделирования и расчёта параметров длинных джозефсоновских переходов с шлейфами. Показано хорошее соответствие предсказаний теории [21, 22, 31] с результатами численного моделирования и эксперимента.

Экспериментально зарегистрированы эффекты неджозефсоновской генерации и широкополосной генерации в длинных джозефсоновских переходах с шлейфами.

Зависимость амплитуды излучения от направления движения джозефсоновских вихрей в длинных джозефсоновских переходах с шлейфами имеет особенность наиболее естественно объяснимую генерацией обратной волны.

Несмотря на то, что в рамках данной работы не удалось продемонстрировать улучшение свойств излучения для исследуемой системы из длинного ДП с шлейфами по сравнению с гладким ДП, достигнут новый уровень понимания процессов происходящих в ней.

Результаты, полученные в ходе исследований, проведённых во второй главе, можно сформулировать следующим образом:

Экспериментально обнаружен режим синфазного проскальзывания фазы в сильно связанных двухслойных ДП. Установлено, что появление этого режима коррелирует с наличием зоны с пониженным дифференциальным сопротивлением на обратной ветви ВАХ при малых напряжениях, которая, по-видимому соответствует режиму течения потока (движения вихрей), в отличии от режима вращения фазы при более высоких напряжениях.

Отработаны технологические приёмы и режимы изготовления сильносвязанных многослойных ДП с малой плотностью критического тока. Экспериментально определены важные для расчёта многослойных ДП параметры, такие как ёмкость переходов и эффективная магнитная толщина промежуточных сверхпроводящих электродов в многослойном ДП.

Экспериментальные исследования многослойных ДП с числом слоёв 7 и более показывают, что для малых плотностей тока ~ 20 А/см2, требующих для своего получения специальных технологических приёмов, возникает значительный разброс параметров ДП в многослойной структуре. При больших плотностях тока, несмотря на приемлемое качество многослойных ДП, область течения потока на ВАХ при оптимальных магнитных полях отсутствует и ступеньки Фиске на ВАХ практически не наблюдаются.

В третьей главе получены следующие результаты:

В численном моделировании, проведённом только для случая слабой связи, показано, что в кольцевом двухслойном ДП с замедляющей системой в виде периодических шлейфов наблюдается переход от противофазного движения вихрей в соседних слоях к синфазному.

В случае линейной геометрии численное моделирование, проведённое для большого числа различных параметров системы, показало, что перехода к режиму синфазного движения вихрей вследствии замедления синфазной моды линейных волн не наблюдается. Причиной чего могут служить резонансы Фиске возникающие случае линейной геометрии.

В экспериментах с реальными образцами линейной геометрии нам также не удалось наблюдать появление прямоугольной BP. Возможно, это связанно с большим разбросом критического тока изготовленных структур. Следовательно, возможность использования периодической замедляющей системы для получения прямоугольной BP в двухслойном ДП пока не доказана экспериментально.

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 ASC'94, ASC'98 [Al, 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-А10].

Личный вклад автора в получение результатов.

Личный вклад автора в перечисленные выше работы состоял в следующем: в работах [Al, А2] - проведение экспериментальных исследований на образцах с цепочками ДПв 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 модельюв работе [А5] - изготовление образцов многослойных ДП и их первоначальное тестирование, обсуждение результатовв 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.

Заключение

.

1. Впервые экспериментально продемонстрировано черенковское взаимодействие джозефсоновских вихрей и линейных мод в длинном джозефсоновском переходе связанном с пространственно-периодической замедляющей системой, состоящей из шлейфов подключенных к джозефсоновскому переходу. Проявлением этого взаимодействия является появление резонансных ступенек на вольт-амперных характе-ристках джозефсоновских переходов со шлейфами и наличие излучения на частотах не отвечающих соотношению Джозефсона.

2. Проведено сравнение экспериментальных и численных результатов, а так же предсказаний теоретических моделей джозефсоновского перехода со шлейфами и обнаружено их хорошее соответствие.

3. Впервые экспериментально наблюдалась синфазная синхронизация движения джозефсоновских вихрей на резонансах Фиске в сильносвязанных двухслойных джозефсоновских переходах. Мощность излучения в режиме с двумя переходами засин-хронизованными с синфазным Фиске резонансом оказывается более чем в 4 раза выше чем в режиме с одним засинхронизованным переходом и другим, находящимся при нулевом напряжении.

4. 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.

Благодарности.

Основная часть экспериментальных работ была выполнена в исследовательском центре Юлих Германия. При написании диссертации мне оказывали разнообразную помощь и поддержку большое количество людей. Я бы хотел выразить им благодарность. Мой научный руководитель В. В. Курин предложил мне заняться экспериментальным исследованием одномерных распределённых Джозефсоновских переходов с периодическими шлейфами, постоянно интересовался ходом работы, помогал сформулировать и решить текущие задачи и выбрать приоритеты в исследованиях, осуществлял теоретическую поддержку проводимых экспериментов. Основная часть экспериментальных исследований была проведена в исследовательском центре Юлих (Германия). А. М. Клушин помог мне освоится в новой среде, оказывал поддержку в решении бытовых проблем, а так-же активно участвовал в дискуссиях по теме диссертации и помогал мне освоить технологию производства ниобиевых Джозефсоновских переходов и часто консультировал меня в дальнейшем по вопросам технологии. Dr. Н. Н. Kohlstedt являлся моим начальником в исследовательском центре Юлих и помогал мне в решении организационных и административных вопросов, а также активно интересовался ходом исследовательских работ и консультировал меня по вопросам технологии производства многослойных Джозефсоновских переходов. Dr. N. Thyssen оказал мне радушный приём, помогал освоится на новом рабочем месте, научил меня пользоваться разнообразным технологическим оборудованием и передал мне технологию производства многослойных Джозефсоновских переходов, и мои исследования многослоек во многом базировались на результатах, полученных ранее, при его активном участии. А. В. Устинов, профессор из университета Ерланген-Нюрнберг (Германия), стал моим вторым научным руководителем. Он предложил мне заняться исследованием многослойных Джозефсоновских переходов, и взял на себя руководство этой деятельностью. Так как оба моих научных руководителя работали в других организациях, то встретиться с ними удавалось нечасто, и Э. Б. Голдобин, работая со мной в одном институте, взял на себя локальное руководство моими исследованиями, и в получении многих результатов, представленных в данной работе, его руководство сыграло важную роль. Он помог систематизировать исследования и оптимизировать компьютерное моделирование, предоставил свою программу и помог модернизировать её под рассчёт Джозефсоновских переходов с замедляющими системами. Dr. М. Siegel стал моим начальником, после перехода Dr. Н. Н. Kohlstedt в другой институт, и помогал мне с решением административных вопросов, помог найти деньги для продления исследований центре Юлнх, а так же участвовал в обсуждениях проводимых мной работ. Совместные работы и обсуждения с В. П. Кошельцом, С. В. Шитовым и Г. Прокопенко также оказали существенное влияние на содержание работы.