Использование внутреннего эффекта Джозефсона для создания новых ТГц устройств

Развитие терагерцовых (ТГц) технологий имеет принципиальное значение для прогресса общества по многим важным направлениям, включая информационно-телекоммуникационные и навигационные системы, биомедицину, системы безопасности и противодействие тероризму, мониторинга и контроля за окружающей средой, а также для фундаментальных исследований во многих областях науки. Переход от ГГц частоты, используемой в современных компютерных и информационно-телекоммуникационных системах, к ТГц рабочим частотам позволит увеличить на несколько порядков величины соответственно быстродействия и объема передаваемой информации и анализируемых данных. Особая важность ТГц диапазона вызвана тем, что большинство молекулярных переходов, например, вода в живых клетках, углекислый газ в атмосфере, специфические молекулярные возбуждения в опасных веществах (взрывчатка, ядовитые химикаты, наркотики, и т.п.) расположенны на этих частотах. Это, в совокупности с неионизируещей природой ТГц излучения и существенной глубиной проникновения, может использоваться для безопасных для живых организмов биомедицинских обследований и просвечивающих систем безопасности в общественных местах, а также в системах распознавания химикатов, мониторинга и контроля за окружающей средой. По этой же причине терагерцовая спектроскопия чрезвычайно важна для исследований в разных областях науки(физики, материаловедении, химии, астрономии, биологии и т.п.) Необходимость новых подходов:Современная полупроводниковая технология, хотя и развивается в ТГц направлении, тем не менее испытывает существенные трудности. Одна из хорошо известных проблем, имеющая название ”Терагерцовый провал”, - это создание компактного ТГц источника в диапазоне 0.1-10 ТГц с существенной мощностью в непрерывном режиме работы. Другая серьезная проблема связана с ограничением быстродействия и выделением тепла в полевых транзисторах. Полевой транзистор просто не работает на ТГц частотах. Поэтому все больше специалистов по всему миру начинают осознавать необходимость радикальной смены концепции развития. Один из вариантов – это заменаполупроводниковой электроники на сверхпроводниковую. Нулевое сопротивление снимает ограничение на быстродействие и позволяет сверхпроводящей электронике работать в ТГц диапазоне частот. Джозефсоновский туннельный переход является основным элементом сверхпроводящей электроники. Он обладает уникальной способностью генерировать переменный высокочастотный ток при приложении постоянного напряжения. Максимальная частота определяется энергетической щелью сверхпроводника и может достигать 50 ТГц для высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Уникальной особенностью Джозефсовской генерации является простая подстройка частоты путем изменения напряжение на переходе. Такая широкая подстраиваемость не характерна для лазеров. Мощность излучения от одиночного Джозефсоновского перехода мала, но ее можно многократно умножить, когерентно синхронизовав много переходов. Мощность когерентного суперрадиационного излучения пропорциональна квадрату числа переходов, а эффективность пропорциональна количеству синхронизованных переходов.Задача и цели проекта:Основной задачей данного проекта является разработка новых ТГц устройств на основе высокотемпературных сверхпроводников. В качестве главного компонента мы планируем использовать необычный ВТСП материал. Будут использованы не стандартные ниобиевые, а так называемые, «внутренние» Джозефсоновские переходы атомного масштаба, образующиеся естественным образом между CuO2 плоскостями в монокристаллах слоистого высокотемпературного сверхпроводника Bi2Sr2CaCu2O8+d. Главной целью проекта является создание прототипов новых когерентных сверхпроводящих ТГц источников, монохроматических, перестраиваемых во всем диапазоне «ТГц-провала» 0.1-10 ТГц и вплоть до 20 ТГц, компактных и работающих в режиме непрерывной генерации волны с высокой эффективностью и выходной мощностью. Мы также собираемся исследовать возможности использования внутренних ВТСП переходов в качестве ТГц детектора со спектроскопическим разрешением в том же частотном диапазоне, а также как базового элемента сверхскоростной цифровой криоэлектроники. Кроме того, будут исследованы неравновесные явления при Джозефсоновской частоте выше щелевой. Это даст важную информацию о механизме Куперовского спаривания в высокотемпературных сверхпроводниках, что остается одной из самых актуальных нерешенных проблем современной физики.Научная новизна:Джозефсоновские устройства, которые мы планируем разработать в рамках этого проекта, абсолютно уникальны, как по ширине частотного диапазона перестройки 0.1-10 ТГц, так и максимальной частоте 20 ТГц. Это минимум на порядок выше аналогичных устройств созданных в других лабораториях. План проекта амбициозен, но реализуем, потому что он базируется на многолетнем опыте исследований в этой области у участников проекта и на прорыве, достигнутом недавно группой руководителя проекта [Nature Сommun. 8, 1742 (2017)]. Этот прорыв стал возможен за счет использования инновационных ВТСП материалов и новых инженерных решений. Мы собираемся развить и воплотить этот начальный успех в реальные электронные устройства в рамках данного проекта.