Использование внутреннего эффекта Джозефсона для создания новых ТГц устройств. Этап 2, промежуточный.

В течении второго года проекта достигнуты следующие результаты. 1. Были успешно изготовленны устройства на основе Bi-2212 вискер-кристаллов, содержащих от четырех до восьми меза структур на одном кристалле. Были проведены подробные измерения транспортных характеристик меза структур, а также исследованы излучение и поглощение высокочастотного электромагнитно излучения этими устройствами. Главной проблемой терагерцовых источников является малая (0.0001-1%) эффективность излучения по мощности (отношение излученной мощности к потребленной). Именно эта проблема получила общеупотребительное название ”Терагерцовый провал”. Для оценки эффективности излучения наших устройств, нами был разработан уникальный метод абсолютной каллибровки, основанной на эффекте радиационного охлаждения. Таким образом были получены очень интересные данные, которые свидетельствуют о том, что эффективность излучения по мощности из устройства на основе Bi-2212 вискеров может превышать 10%. Это очень больщая величина для излучателей в терагерцовом диапазоне. В настоящее время идет к завершению написание статьи по полученным результатам на Bi-2212 вискер устройствах, которая будет центральной для всего проекта. Таким образом, достигнут существенный и очень важный прогресс в выполнении всего проекта. 2. Была проанализированна работа сенсора на основе планарного Джозефсоновского перехода для сканирующего зондового микроскопа. Проведены исследования чувствительности и пространственного разрешения. Напечатана статья на эту тему в Q1 журнале Physical Review B, со ссылкой на проект. Кроме того, были изготовлены и изучены низкотемпературные детекторы ВЧ излучения на основе Ниобия с лог-периодическими антеннами. Для этого был сделан компьютерный дизайн высокочастотных лог-периодических антенн с разными частотными диапазонами и по ним изготовленно несколько образцов с разным колличеством сенсоров на подложке. Каждый сенсор содержит одну антенну с подводящими электродами. В центре сенсора расположен чувствительный элемент, которым служит планарных Джозефсоновский переход. Была проведена оптимизация характеристик Джозефсоновского перехода. Это необходимо для согласования импеданса перехода и антенны (50-100 Ом). Для увеличения сопротивления переходов мы уменьшали ширину мостиков до субмикронных размеров. Несколько рабочих детекторов были протестированны в оптическом криостате, с использованием квазиоптической накачки субтерагерцовым излучением. Детекторы показали хорошую чувствительность. Детекторы изготовленны и готовы для использования. Были проведены экспериментальные исследования субтерагерцового отклика меза структур на основе Bi-2212 вискеров. Исследован отклик в зависимости от ориентации поляризации приходящего излучения, который подтвердил эффективность работы перекрестной дипольной антенны, образованной проводящими элементами устройства. 3. Был проведен численный расчет микроволновых характеристик генератора для фактической геометрии наших образцов с различными элементами: антенны, подложки, металлические основания, и.т.п. Численный анализ необходим для оптимизации ТГц генераторов. Детальные 3х мерные расчеты были сделаны с использованием COMSOL Multiphysics RF Module для терагерцового излучения из меза-структур как на основе больших монокристаллов Bi-2212, так и нитеобразных вискер кристаллов. Показано, что использование Bi-2212 вискеров позволяет существенно уменьшить паразитную емкость между кристаллом и электродом. В случае обычного монокристалла Bi-2212, подводящие электроды частично лежат на кристалле. Таким образом кристалл и электрод создают плоский конденсатор с существенной паразитной емкостью. На высоких частотах эта емкость шунтирует меза-структуру и излучение уходит не в открытое пространство, а в паразитную емкость. Bi-2212 вискеры представляют собой тонкие иглообразные монокристаллы, растущие вдоль b-кристаллографической оси. Подводящие электроды к меза-структурам на таких вискерах подходят перпендикулярно длинной стороне вискера. Таким образом избегается непосредственное перекрытие между кристаллом и электродом и минимизируется паразитная емкость. Одновременно такие электроды ирают роль перекрестной дипольной антенны, что позволяет хорошее согласования импедансов устройства и открытого пространства. Расчеты показали, что за счет этого ожидается 30-ти кратное увеличение эффективности излучения в дальнем поле в устройствах на основе вискер кристаллов, по сравнению с обычными монокристаллами. В настоящее время идет написание статьи на эту тему. 4. Было изучено терагерцовое излучение из Bi-2212 меза структур на вискерах с использованием различных экспериментальных методик: 1) Ин-ситу детектирование другой мезой на том же кристалле. 2) Детектирование электрически развязанной мезой на другом кристалле. 3) Детектирование излучения внешним терагерцовым болометром. Все три типа измерений показали одинаковые характеристики. Более того, мы смогли наблюдать формирование ступенек Шапиро на Вольт-Амперных характеристиках детектирующей мезы. Это позволило оценить частоту излучения, около 4.3 ТГц, которая находится в соответствии с ожидаемой Джозефсоновской частотой Bi-2212 мезы генератора. Для оценки эффективности излучения нащих устройств, нами был разработан уникальный метод абсолютной каллибровки, основанной на эффекте радиационного охлаждения. Таким образом были получены очень интересные данные, которые свидетельствуют о том, что эффективность излучения по мощности из устройства на основе Bi-2212 вискеров может превышать 10%, что является очень высоким показателем для подобных устройств. В качестве отдельной подзадачи были проведены измерения излучения на сетках переходов на основе ниобия с большим колличеством переходов. 5. Были проведены исследования условий синхронизации Джозефсоновских переходов на основе как высоко-, так и в низко-температурных сверхпроводников. В частности, было изучено влияние магнитного поля на синхронизацию и излучение из меза структур на основе Bi-2212 вискер кристаллов. Наблюдено, что магнитное поле может активировать более низкочастотную моду излучения. Анализ этих данных продолжается. Больщая работа была проделана с сетками низко-температурных ниобиевых переходов. Для этого были проведены исследования на основе низко-температурной сканирующей лазерной микроскопии, в сотрудничестве с университетом Тюбенгена, Германия. Полученные данные однозначно указывают, что синхронизация осуществляется с помощью поверхностных электромагнитных волн, распростроняющихся вдоль границы раздела между сверхпроводящей пленкой и диэлектрической подложкой. Кроме того, были изготовленны и исследованы последовательно соединенные сетки из близко расположенных планарных переходов. Наблюдена устойчивая синхронизация в разных областях температур и магнитных полей. 6. Проведен анализ неравновесных явлений как в низко- температурных сверхпроводниках, так и высокотемпературных многозонных сверхпроводниках. Проведено исследование фононных особеностей в туннельных характеристиках низкотемпературных Джозефсоновских переходов на основе Nb и NbN. Изучены проявления сильно-связанной сверхпроводимости в этих сверхпроводниках. Проведено теоретическое изучение неравновесных явлений в гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик, связанных с генерацией триплетной сверхпроводимости. Опубликовано три статьи на эту тему.