автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Экспериментальное исследование когерентного излучения в распределённых джозефсоновских системах

На правах рукописи

Левичев Максим Юрьевич

Экпериментальное исследование когерентного излучения в распределённых джозефсоновских системах

05.27.01- твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород, 2004

Работа выполнена в Институте физики микроструктур Российской Академии Наук

Научный руководитель :

доктор физико-математических наук В.В. Курин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.Н. Резник

кандидат физико-математических наук К.И. Константинян

Ведущая организация:

НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва

Защита состоится "17"июня 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098.01 при Институте физики микроструктур РАН (603950, Нижний Новгород, ГСП-105)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН

Автореферат разослан "17"мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

<1 ^ ' К.П. Гайкович

" ■ х?

Общая характеристика работы

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 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) джо-зефсоновского 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-

г. и ел и о т».* л

нология позволяет создавать многослойные Д11 типа (ЫЬА1-А101)п N1), 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

1. Численно и экспериментально исследован эффект черенковского взаимодействия джозефсоновских вихрей и линейных волн в длинном джозефсоновском переходе, связанном с периодической замедляющей системой.

2. Экспериментально исследован эффект синфазной синхронизации движения джозефсоновских вихрей под воздействием резонансов Фиске в многослойном сильносвязанном джозефсоновском переходе.

3. 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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

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.

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 [C7]; международной конференции по сверхпроводящей электронике ISEC-2001 [A9]; 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, A2] - 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 [Л3, 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.

Основное содержание работы

В главе 1 диссертации исследуется длинные ДП с замедляющей системой в виде периодически подключенных к ДП шлейфов (см. рис. 1). Эти исследования являются развитием работ В. В. Курина и А. В. Юлина, в которых предложено использовать черенковское излучение в системах с ДП и теоретически рассмотрено взаимодействие джозефсоновских вихрей и излучения в таких системах.

В гладком длинном ДП джозефсоновские вихри всегда двигаются со скоростями меньшими скорости Свихарта, а линейные волны со скоростями большими скорости Свихарта, поэтому черенковское взаимодействие

между ними оказывается не возможным. Пример, рассчитанной на основе аналитической модели дисперсионной характеристики линейных волн в длинном ДП со шлейфами, приведён на рисунке 1 справа. Видно, что на дисперсионной характеристике появляются разрешённые и запрещённые зоны, и в результате замедления части дисперсионной характеристики отвечает скорость движения линейных волн меньшая скорости Свихарта. В таких областях черенковское взаимодействие становится возможным. На основе теоретической модели производился расчёт физических параметров экспериментальных образцов длинных ДП со шлейфами, необходимых для получения тех или иных параметров.

Сначала было проведено исследование кольцевых ДП с шлейфами, как наиболее простых в смысле интерпретации результатов. С целью надёжной идентификации черенковского возбуждения резонансных мод в ходе эксперимента проводились и сопоставлялись измерения ВАХ гладких ДП и ДП со шлейфами. Для получения состояний с захваченными вихрями в кольцевом ДП использовалась техника охлаждения образцов ниже критической температуры при определённой величине тока смещения.

На рисунке 2 представлены результаты измерений вольт-амперных характеристик (ВАХ) гладкого кольцевого ДП. Ступеньки на ВАХ, соответствующие одному захваченному вихрю, движущемуся со скоростью Свихарта, наблюдались при напряжении около ~ 57мкВ. Эта величина достаточна близка к рассчитанной теоретически Наблюдалось также рождение пар вихрь-антивихрь, которое ведёт к появлению новых резонансных ступенек с интервалом по напряжению 21% и 114 мкВ.

Кольцевой ДП со шлейфами демонстрирует более сложное поведение. На ВАХ возникают дополнительные ступеньки при более низких напряжениях, чем ступенька течения потока, соответствующая скорости Свихарта (см. рис. 2 справа). Возникновение этих новых ступенек. свидетельствует о возбуждении резонансных мод кольцевого резонатора благодаря черенковскому взаимодействию джозефсоновских вихрей и линейных волн. Сопоставление положения этих ступенек для образцов с различной длиной ДП и с различным числом и длиной шлейфов с предсказаниями дисперсионной модели показало, что они наблюдаются в зонах замедления шлейфовой системы.

Далее, в главе 1 построена численная схема и проведено численное моделирование кольцевых ДП со шлейфами. При этом анализируются ВАХ и спектральные характеристики возбуждаемых линейных волн в ДП. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами чис-

Напряжение, мкВ Напряжение, мкВ

Рис. 2. Ступеньки течения потока в гладком кольцевом ДП (слева) У« » 57мкВ, Ук и 170 мкВ. Ступенька течения потока Уд « 57мкВ

и резонансная ступенька Уц « 38мкВ в кольцевом ДП со шлейфами (справа) для одного захваченного вихря.

ленного моделирования и предсказаниями дисперсионной модели.

Аналитические модели предсказывают возможность эффективной генерации высших гармоник джозефсоновской частоты fj == 2eV/h в ДП со шлейфами, где V - напряжение на джозефсоновском переходе. В этой связи, представляет интерес постановка вопроса о применимости такой генерации для получения высокочастотного излучения. Для решения этого вопроса было проведено численное моделирование и исследование спектральных свойств изучения. Для получения спектров выполнялось фурье преобразование пространственного распределения напряжения

Для обнаружения генерации высших гармоник джозефсоновской частоты было проведено численное моделирование для ДП с длиной £ — 32 количеством шлейфов 2Vst = 32 и их длиной ist = 1.4. Были обнаружены две резонансные ступеньки на ВАХ системы, как видно из рис. 3. Первому резонансу соответствует возбуждение 9-ой пространственной гармоники, при скорости джозефсоновского вихря Вторая ступенька на ВАХ, соответствующая генерации 6-ой гармоники, наблюдалась при скорости вихря и = 0.94. Если, уменьшая ток, спустится вниз по ВАХ со второй ступеньки, а затем, не доходя до первой ступеньки, снова начать его увеличивать, то удаётся попасть на ступеньку, соответствующую генерации 7-ой гармоники при и = 0.82. Подобным же образом можно, по-видимому, обнаружить и ступеньку, соответствующую 8-ой моде.

Предположение о возможности генерации в длинном ДП с шлейфа-

Рис. 3. Эффективная генерация высоких гармоник в длинном I = 32 кольцевом джозефсоновском переходе со шлейфами. Вольт-амперная характеристика (гладкий ДП - кружки, ДП со шлейфами квадраты). Распределение напряжений вдоль ДП и от времени и их спектры.

ми высоких гармоник, таким образом, полностью подтверждается. Причём амплитуда девятой резонансной гармоники, например, более чем в 2.5 раза превосходит амплитуды всех остальных гармоник, включая ну-

левую и первую, а также значительно превышает амплитуду такой же гармоники для случая гладкого ДП. Следовательно, черенковское излучение позволяет сузить полосу генерации. Однако, в кольцевых ДП, длина которых сопоставима с размерами джозефсоновского вихря, возбуждения высоких гармоник не происходит. Практический интерес представляет эффективная генерация высокочастотного излучения, поэтому необходимо сравнить мощность излучения полученных высоких гармоник с мощностью излучения на той же частоте для более короткого ДП, но работающего на первой гармонике. Из рисунка видно, что амплитуда волны в длинном переходе существенно ниже амплитуды напряжения, соответствующей джозефсоновскому вихрю. Отсюда можно заключить, что более короткий ДП обладает большей мощностью излучения. Такого же увеличения мощности можно достичь и при увеличении плотности вихревой цепочки до кратности, соответствующей номеру гармоники.

Поскольку при практической реализации генератора на основе кольцевого ДП возникают сложности с созданием в нём большого числа джозефсоновских вихрей и отводом из него мощности излучения, далее в первой главе диссертации исследования распространяются на длинные ДП с шлейфами линейной геометрии.

На ВАХ длинных ДП линейной геометрии присутствуют резонансные ступеньки Фиске, связанные с возбуждением линейных мод резонатора образованного ДП. Возбуждение происходит при взаимодействии вихрей с краем ДП. Поэтому в случае линейной геометрии нельзя однозначно определить механизм возникновения ступенек. Индикацией влияния замедляющей системы в случае длинного ДП со шлейфами является неэквидистантная картина резонансных ступенек на экспериментальных семействах ВАХ в магнитном поле, что согласуется с предсказаниями дисперсионной теории и результатами численного счёта.

Для того что бы избавиться от резонансов Фиске были изготовлены ДП с большой нормированной длиной £ та 100. Увеличение длины ведёт к сближению резонансов Фиске и уменьшению их добротности, вследствие увеличения затухания на длине ДП, в результате чего резонансы перекрываются и исчезают. На семействе ВАХ в магнитном поле гладкого тестового ДП, приведённом на рис. 4 слева, наблюдаются резонансные ступеньки при напряжениях ниже 400 мкВ, однако расстояние между ними не соответствует расстоянию между между Фиске ступеньками ДУрд, которое для длины ДП 1000 мкм должно составлять приблизительно 10 мкВ. Наличие ступенек предположительно вызвано наличием дефектов в длинном ДП.

Эффект черенковской генерации в длинном ДП со шлейфами иллю-

Напряжение, мВ Напряжение, мВ

Рис. 4. Семейство ВАХ в магнитном поле для тестового длинного джо-зефсоновского перехода (слева) и для джозефсоновского перехода со шлейфами.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 5 10 15 Волновой вектор Ток, мА

Рис. 5. Измеренное семейство ВАХ в магнитном поле длинного ДП с шлейфами и рассчитанная дисперсионная характеристика.

стрируется приведённой на рис. 4 справа экспериментальным семейством ВАХ, на котором отчётливо видны резонансные ступеньки. Черенковские резонансы отчётливо наблюдаются при напряжениях около 200 и около 480 мкВ и несколько менее чётко при напряжениях около 70 и около 330 мкв. В целом семейство ВАХ достаточно наглядно отражает зонную структуру дисперсионной характеристики (см. рис. 5).

Измеренная в экспериментах максимальная мощность излучения длинного ДП со шлейфами не превышает мощность излучения аналогич-

ного гладкого ДП. Такой результат является закономерным, если учесть, что энергия распространяющейся в ДП волны, не может значительно превосходить энергию джозефсоновского вихря, так как в противном случае началось бы рождение солитон-антисолитонных пар. Численный счёт показал аналогичный результат: для кольцевого ДП с шлейфами в режиме генерации первой гармоники наличие черенковского взаимодействия ведёт к изменению профиля распределения фазы, но существенного увеличения амплитуды первой гармоники излучения не наблюдается.

Одна из особенностей излучения длинного ДП со шлейфами — это присутствие достаточно сильного излучения с достаточно больших участков ВАХ, для которых частота принимаемого излучения не соответствует напряжению, найденному из соотношения Джозефсона. При настройке приёмника на фиксированную частоту /гас1 в районе 100 ГГц излучение наблюдается с участков ВАХ лежащих от напряжения V« 1/2-/Л/2едо напряжения V р» 1,5.. .2-/Л/2е. На рисунке 6 слева представлен случай приёма излучения одновременно с двух ветвей ВАХ. Серым фоном отмечен диапазон напряжений, отвечающий частоте настройки приёмника из соотношения Джозефсона, и со ступенек лежащих в этом диапазоне наблюдается излучение. Кроме того, на правой ветви ВАХ наблюдается приём излучения при напряжении на ДП V = 130 МкВ; таким образом

джозефсоновская частота. Справа на этом рисунке показано, что такое излучение возможно, если благодаря черенковскому взаимодействию вихри группируются в тормозящей фазе волны таким образом, что на три периода волны приходятся два джозеф-соновских вихря.

Глава 2 Для повышения мощности излучения естественным представляется использовать многослойные ДП. В них возможны различные конфигурации взаимного расположения джозефсоновских вихрей в слоях (вихревые решётки). Наибольший интерес представляют треугольная и прямоугольная вихревые решётки. В треугольной вихревой решётке (см. рис. 7) центры вихрей в одном переходе находятся между центрами вихрей в соседних переходах. В связи с тем, что отдельные Джозеф-соновские вихри в соседних слоях отталкиваются друг от друга, треугольная ВР обладает статической устойчивостью. Поэтому движущиеся треугольные ВР в многослойных ДП легко реализуются на практике и достаточно подробно изучены как теоретически, так и экспериментально. Очевидно, что частота излучения /д будет равна удвоенной частоте /я излучения однослойного ДП, в котором движется вихревая цепочка с такой же плотностью. Мощность же излучения каза-

лось бы, должна превосходить мощность излучения однослойного ДП в

Рис 6 Прием излучения на обоих ветвях ВАХ от длинного ДП с шлейфами на частоте настройки приемника 100 ГГц Серым цветом показаны области напряжений, в которых джозефсоновская частота равна частоте приемника. На правой ветви есть излучение с участка ВАХ, не попадающего в серую область.

Рис. 7. Вихревые решетки в многослойном ДП противофазная (треугольная) и синфазная (прямоуголная). В случае прямоугольной вихревой решетки наблюдается эффект гиперизлучения.

ЛТ/22 раз для случая несогласованной нагрузки потому, что в N/2 слоях вихри одновременно выходят на край и их напряжения складываются. Однако более подробный анализ, проведенный А. Волрафом Wallraff) и Э Голдобиным, показал, что на самом деле мощность излучения оказывается существенно ниже этой оценки, так как в результате магнитной связи слоев джозефсоновские вихри наводят токи в соседних переходах, что ведет к локальному изменению джозефсоновсой разности фаз в соседнем ДП. В результате чего, при выходе вертикального ряда вихрей треугольной вихревой решетки напряжение на краю многослойного ДП

складывается из напряжений вихрей и напряжений возмущений, которые оказываются в противофазе, и суммарное напряжение оказывается ниже чем для N/2 вихрей.

Следовательно, для получения повышенной мощности излучения из многослойного ДП необходимо использовать прямоугольную вихревую решётку. В ней вихри в соседних слоях располагаются друг под другом, и в результате их взаимодействия напряжение оказывается выше, чем просто сумма напряжений отдельных вихрей. В результате мощность излучения увеличивается более чем в раз. Этот эффект получил в литературе название "гиперизлучение".

В работах А. Устинова и Ш. Сакаи Sakai) в численном моделировании была продемонстрирована возможность получения синфазного излучения джозефсоновских вихрей в многослойных сильно связанных ДП с длиной порядка джозефсоновской глубины проникновения. Движение вихрей в прямоугольной решётке стабилизируется благодаря синхронизации с резонансом Фиске синфазной моды линейных волн в многослойном ДП. Глава 2 посвящена исследованию возможности экспериментальной реализации такой ситуации.

Выбор сильной магнитной связи обосновывается необходимостью уменьшать толщину слоев для повышения количества слоев в структурах и тем, что поиск синфазного излучения при такой сильной связи не проводился ранее. А. Устиновым, С. Шитовым и др. экспериментально было продемонстрировано, что в длинных двухслойных ДП прямоугольная ВР реализуется на практике в случае достаточно слабой связи.

Вначале была предпринята экспериментальная попытка обнаружить синфазное излучение сразу из 10-слойного ДП. Это было сделано в связи с тем, что в случае успеха это позволило бы обойти длительные этапы исследований с последовательным увеличением числа ДП в структурах. Структуры были изготовлены с плотностью критического тока порядка 50 А/см2, так как технология позволяет относительно легко достичь такого значения. Однако, несмотря на достаточно высокое качество образцов и малый разброс плотностей тока в многослойном ДП, синфазное излучение не наблюдалось. Оказалось, что резонансы Фиске на ВАХ образцов не наблюдаются. Отсутствие резонанса на частоте 100 ГГц, соответствующей первому резонансу Фиске синфазной моды, можно объяснить недостаточно низкой плотностью тока образцов. При такой плотности тока длина ДП оказывается больше джозефсоновской глубины проникновения, и синфазная синхронизация не наблюдается и в численном эксперименте. Резонанс, соответствующий второму резонансу Фиске в эксперименте не наблюдается, хотя в численном счёте он

присутствует. Это можно объяснить тем, что индивидуальные напряжения на ДП структуры имеют большой разброс при фиксированном токе. Разброс напряжений определяется подщелевыми ветвями ВАХ ДП, имеющими очень высокое дифференциальное сопротивление, и это препятствует захвату всех ДП на одну резонансную ступеньку. В численном счёте разброс сопротивлений отсутствует, и их величина существенно ниже.

Затем были изготовлены 10-слойные образцы с плотностью тока около полученной с помощью окисления барьера с использованием ультрафиолетовой лампы. При этом разброс критических токов отдельных слоев в структуре увеличился и оказался около 30%. Обнаружить синфазную синхронизацию в этом случае так же не удалость.

Для более достоверного определения причины отсутствия синфазного излучения в 10-слойных структурах было решено провести исследование двух- и трёхслойных ДП. Это исследование позволило провести определение конструктивно-технологических параметров, таких, как ёмкость и эффективная магнитная толщина промежуточных сверхпроводящих сло-ёв изготовляемых многослойных ДП. Эти величины используются в расчетах многослойных структур и определяют скорости Свихарта и частоты резонансов Фиске. Обнаружено, что амплитуда ступенек Фиске уменьшается при увеличении числа слоев. Предложена упрощённая технология изготовления многослойных ДП с использованием только анодного окисления при повышенном напряжении для создания изоляции в пассивной области ДП.

На образцах двухслойных ДП с плотностью критического порядка 20 А/см2 была продемонстрирована возможность синфазной синхронизации движения вихрей. При этом на ВАХ структур при напряжениях, соответствующих наблюдаемым синфазным Фиске ступенькам, присутствует область с относительно низким дифференциальным сопротивлением на обратной ветви ВАХ, которую можно отождествить с режимом течения потока (см. рис. 8). При движении с двойной (общей) щелевой ветви вниз ВАХ идёт сначала по ветви R|R, затем переходит на ветвь, помеченную касательной F|F. По нашим представлениям, ветвь R|R соответствует однородному вращению сверхпроводящей разности фаз, а ветвь F|F - режиму течения потока. Если двигаться по ВАХ от точки, в которой один из переходов находится в мейснеровском состоянии, а другой при щелевом напряжении, то отчётливо видна другая обратная ветвь, обозначенная как O|F, которая лежит примерно вдвое ниже на шкале напряжения, чем ветвь F|F. Причём на ветвях 0^ и F|F уже на обратном ходе видна нижняя часть Фиске-ступеньки, т.е. ВАХ идёт вниз по

Р31|0 рэг^г : о|Р ' ' Р|Р

' [ ✓ \| —н К// да ---р < ■ м 1 1р83|РЗЗ 11 1 I ■' !.■>■' 1'1 ' Ь " - № " - Г -1-1-1-1-

Напряжение, мВ

Рис. 8: Фиске ступеньки синфазной моды в двухслойном ДП.

току, когда напряжение попадает в некую окрестность резонанса. Такое поведение позволяет легко получить одинаковые напряжения на обоих ДП структуры и попасть в режим синфазного проскальзывания фазы На рисунке отмечены ступеньки Фиске синфазной моды Р5п|Р5п, где цифра п показывают номер Фиске ступеньки, с которой засинхронизо-вано проскальзывание фазы в обоих ДП структуры. Обозначение 0|Р5п показывает, что один из переходов находится в мейснеровском состоянии На рисунке хорошо видно 1-ю, 2-ю и 3-ю ступеньки синфазной моды с синфазным проскальзыванием фазы, и, кажется, что и 4-ая должна иметь еще наблюдаемую высоту, но она не наблюдается, предположительно потому, что лежит выше области Р|Р По видимому, наличие на ВАХ участков с течением потока является необходимым условием для их существования. В этой связи важно отметить, что появление участков с течением потока на ВАХ вблизи нуля, особенно при малых магнитных полях, соответсвующих оптимальному значению для наблюдения синфазных ступенек Фиске, не типично для многослойных ДП с большей плотностью критического тока В связи с этим, режим синфазной синхронизации в таких многослойных ДП может отсутствовать

Для подтверждения того, что переходы засинхронизованны, было про-

ведено сравнение джозефсоновской частоты генерации двухслойного ДП, определяемой по напряжению на нём, с частотой принимаемого излучения, определяемой по частоте настройки гетеродина приёмника, при которой достигается максимум регистрируемого сигнала. Расчёт джозефсо-новской частоты производился в предположении, что оба ДП излучают

Было обнаруженно равенство джозефсоновской и принимаемой частот.

Другим указанием на наличие синхронизма является различие в принимаемой мощности со ступенек, соответствующих одному синхронизованному ДП - РБЦО (РБ2|0) и двум синфазно "работающим ДП -Р51|Р51 (Р52|Р52). Так, на рисунке 9 отображена ситуация, когда излучение наблюдается при фиксированном магнитном поле со ступенек Р51|0 и 1. При этом, мощность излучения со ступеньки Р51|Р51 в 7 раз превышает мощность излучения со ступеньки Р31|0. Одно из возможных объяснений факта столь значительного отличия мощностей для резонансов может заключаться в том, что в результате

возникновения изображения джозефсоновского вихря в ДП, находящемся в мейснеровском состоянии, мощность излучения для резонанса значительно уступает мощности излучения эквивалентного одиночного перехода.

3 глава Скорость Свихарта для волн синфазной моды в многослойном ДП является максимальной по сравнению с другими модами, при этом прямоугольная ВР джозефсоновских вихрей является в общем случае неустойчивой. Противоположный случай медленной синфазной моды был рассмотрен В. Куриным и А. Чигинёвым теоретически, и ими было показано, что в этом случае прямоугольная ВР становится устойчивой в некотором диапазоне скоростей движения вихрей. Для практической реализации случая медленной синфазной моды ими было предложено использовать многослойный ДП с медленной пассивной областью, которая обеспечит такое замедление, при котором эффективная скорость Свихар-та синфазной моды будет меньше, чем скорость противофазной моды. Однако достичить необходимого замедления, используя диэлектрики, невозможно. Поэтому целью исследований, представленных в третьей главе диссертации, является изучение возможности использования периодической замедляющей системы, изученной в первой главе, для обеспечения условий устойчивости прямоугольной вихревой решётки в многослойных ДП путём замедления синфазной моды плазменных волн.

Простейшим вариантом периодической замедляющей системы явля-

мощность излучения, пВт О 5 10 15 20 25 .30

_I_I_ « ■ «_ « ■ ' ■ |

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Напряжение, мВ

Рис. 9. ВАХ двухслойного ДП (квадраты) с Фиске ступеньками синфазной моды для двух FS1JFS1 и одного FS1|0 ДП, синхронизованных с этой модой, и излучение (кружки) с них Pjfi И Pi|o соответственно.

ются шлейфы, подключенные перпендикулярно к многослойному ДП. Свойства такой замедляющей системы были подробно изучены в первой главе диссертации. Преимуществом данной конструкции является возможность использования традиционной технологии производства многослойных ДП. К её недостаткам следует отнести зависимость замедления волны от частоты, так что эффект синхронизации может наблюдаться только в сравнительно узкой частотной области.

В начале третьей главы строится численная модель многослойного длинного ДП, соединённого с периодическими шлейфами, проводится выбор параметров и производится численное моделирование для кольцевых и линейных многослойных ДП со шлейфами.

В случае кольцевых многослойных ДП наблюдается сближение центров вихрей движущихся в соседних ДП и дальнейший переход к пря-

О 2 4 0 2 4

Координата Координата

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика и индивидуальные напряжения на ДП в трёх точках на ВАХ. Сближение центров вихрей в двухслойном кольцевом ДП с длиной i = 8 и 16-ю шлейфами длиной ist = 2.2 вблизи вершины ступеньки.

моугольной вихревой решётке при достаточном замедлении синфазной моды (см. рис. 10). Для линейных ДП такой переход не наблюдался, что, по-видимому, связанно с влиянием резонансов Фиске и границ в случае малого затухания. В случае длинных ДП с большим затуханием переход также не наблюдается вероятно из-за подавления резонансов связанных с замедляющей системой.

В конце третьей главы приведены результаты эксперимента с реальными образцами линейных двухслойных ДП со шлейфами. Обнаружить появление прямоугольной ВР в этих экспериментах не удалось. Такое поведение может объясняться как значительным разбросом критических токов ДП в структуре, так и влиянием резонансов Фиске, как и в случае

численного моделирования.

В заключении изложены основные результаты диссертации.

Список публикаций автора по теме диссертации.

[AI] V.V. Kurin, Microwave radiation from losephson junctions built in micro-strip line/ V.V. Kurin, V.A. Markelov, M.Yu. Levichev, V.D. Gelikonova, P.A. Shisharin, A.M. Klushin// IEEE Trans, on Applied Superconductivity, -1995, -Vol.5, -P.2896, (ASC'94).

[A2] B.B. Курин, Теоретическое и экспериментальное исследование взаимодействия микроволн со сверхпроводящими структурами/ В.В. Курин, А.В. Юлин, Д.А. Рындык, М.Ю. Левичев, Р.К. Белов, В.А Маркелов// в книге "Физика микроволн" ИПФ РАН - 1996, -Стр.324-330.

[A3] V. Kurin, Experimental investigation of Cherenkov Flux-Flow Oscillators/ V. Kurin, A. Yulin, E. Goldobin, A. Klushin, H. Kohlstedt, M. Levitchev, and N. Thyssen// IEEE Trans, on Appl. Supercond. -1999, -Vol.9, -P.3733, (ASC98).

[A4] B.B. Курин, Теоретическое и экспериментальное исследование взаимодействия микроволн со сверхпроводящими микроструктурами/ В.В. Курин, А.В. Юлин, Д.А. Рындык, М.Ю. Левичев, Р.К. Белов, В.А. Маркелов// в книге "Физика микроволн"ИПФ РАН -1999 -Стр.390-396.

[А5] J. Zitzmann, Super-relativistic fluxon in a Josephson multilayer: Experiment and simulation/ J. Zitzmann, A. V. Ustinov, M. Levitchev, S. Sakai// Phys. Rev. B, -2002, -Vol.66, -P. 064527.

[A6] M.Yu. Levichev/ M.Yu. Levichev, A.M. Klushin, N. Thyssen, V.V. Kurin// Abstracts of 11th German-Russian-Ukrainian Seminar on High-temperature Superconductivity, -1998, -P. 85, Goettingen, Germany.

[A7] V.V. Kurin, Cherenkov radiation of Josephson vortices and Cherenkov Josephson Microwave oscillators for submm range/ V.V. Kurin, M.Yu. Levitchev// Proceedings of BMBF conference "Superconductivity and Low Temperature Technique 2000", -2000, -P.298, Garmish-Partenkirchen, Germany.

[A8j V.V. Kunn, Cherenkov radiation of Josephson vortices and Cherenkov Josephson Microwave oscillators/ V.V. Kurin, A.V. Yulin, M.Yu. Levitchev// Abstracts of EURESCO-2000 International conference "Future perspectives of Superconducting Josephson Devices", -2000, -P. 42. .

[A9] V.V. Kurin, Superradiance in josephson superlattice coupled in a slow wave system/V.V. Kurin, A.V. Chiguinev, M.Yu. Levitchev,I.A. Shereshevsky, N.K. Vdovicheva// 8th International Superconductive Electronics Conference, Extended Abstracts, ISEC-2001 -P.437-438.

[A10] V.V. Kurin, Superradiance and coherent vortex motion in josephson superlattice coupled in a slow wave system/ V.V. Kurin, A.V. Chiguinev, M.Yu. LevitchevJ.A. Shereshevsky, N.K. Vdovicheva// Abstracts of European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS-2001, August 23-27, -P.118.

Левичев Максим Юрьевич

Экпериментальное исследование когерентного излучения в распределённых джозефсоновских системах

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано к печати 13.05.2004 г. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе Института физики микроструктур РАН, 603950, Нижний Новгород, ГСП-105

91П 3 « Ч

Введение.

1 Черенковское излучение в джозефсоновских переходах с замедляющими системами.

1.1 Введение.

1.1.1 История и со стояние.

1.1.2 Цели исследования.

1.1.3 Методы и результаты.

1.1.4 Структура главы.

1.2 Распределённый одномерный джозефсоновский переход.

1.3 Построение модели длинного ДП с периодической замедляющей системой и расчёт параметров экспериментальных образцов.

1.3.1 Построение дисперсионной характеристики длинного ДП с шлейфами.

1.3.2 Определение условий резонанса и нахождение спектра резонансных частот длинного ДП с шлейфами.

1.3.3 Алгоритм расчёта параметров шлейфов.

1.4 Исследование длинных джозефсоновских переходов кольцевой геометрии с шлейфами.

1.4.1 Изготовление и экспериментальное исследование кольцевых ДП с шлейфами.

1.4.2 Анализ процессов происходящих в кольцевых ДП с шлейфами методом численного моделирования.

1.5 Исследование вихревой динамики и характеристик излучения длинных джозефсоновских переходов линейной геометрии со шлейфами.

1.5.1 Экспериментальное исследование.

1.5.2 Исследование длинного ДП с шлейфами методом численного моделирования.

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

Введение

Актуальность работы.

В настоящее время сверхпроводящая электроника является быстро развивающимся разделом физики. Открытие в 1962г. 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 [2В, 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 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.

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.

1. Josephson В. D. , Possible new effects in superconductive tunnelling /. B. D. Josephson //. Phys. Lett., -1962. -Vol.1. -P.251-253.

2. Anderson P. W., Probable Observation of the Josephson Superconducting Tunneling Effect /. P. W. Anderson and J. M. Rowell //. Phys. Rev. Lett., -1963. -Vol.10. -P.230-232.

3. Tilley D. R. , Superradiance in arrays of superconducting weak links /. D. R. Tilley //. Phys. Lett. A, -1970. -Vol.33. -P.205-206.

4. Wan K., Submillimeter wave generation using Josephson junction arrays /. K. Wan, A. K. Jain, and J. E. Lukens //. Appl. Phys. Lett., -1989. -Vol.54. -P. 1805-1807.

5. Han Siyuan, Demonstration of Josephson effect submillimeter wave sources with increased power/. Siyuan Han, Baokang Bi, Wenxing Zhang, and J. E. Lukens //. Appl. Phys. Lett., -1994. -Vol.64. -P. 1424-1426.

6. Yoshida К., /. K. Yoshida and F. Irie //. Appl. Phys. Lett., -1975. -Vol.27. -P.469.

7. Erne S. N., /. S. N. Erne and R. D. Parmentier //. J. Appl. Phys., -1980. -Vol.51. -P.5025.

8. Erne S. N., /. S. N. Erne and R. D. Parmentier //. J. Appl. Phys., -1981. -Vol.52. -P. 1091.

9. Erne S. N., /. S. N. Erne and R. D. Parmentier //. J. Appl. Phys., -1981. -Vol.52. -P.1608.

10. Nagatsuma Т. , /. T. Nagatsuma, K. Epuku, F. Irie, and K. Yoshida //. J. Appl. Phys., -1983. -Vol.54. -P.3302.

11. Shitov S. V. , Superconducting Chip Receiver for Imaging Applications /. S. V. Shitov, A. B. Ermakov, L. V. Filippenko, V. P. Koshelets, A. B. Baryshev, W. Luinge, and Jian-Rong Gao //. IEEE Trans. Appl. Supercond., -1999. -Vol.9. -P.3773-3776.

12. Ustinov A. V., Multi-fluxon effects in long Josephson junctions /. A. V. Ustinov, T. Doderer, R. P. Huebener, J. Mygind, V. A. Oboznov, and N. F. Pedersen //. IEEE Trans. Appl. Superconduct., -1993. -Vol.3. -P.2287-2294.

13. A. A., Radiation linewidth of a long Josephson junction in the flux-flow regime /. A. A., B. A. Malomed, and A. V. Ustinov II. Phis. Rev. B, -1996. -Vol.54. -P.3047-3050.

14. Koshelets V. P. , Self-pumping effects and radiation linewidth of Josephson flux-flow oscillators /. V. P. Koshelets, S. V. Shitov, A. V. Shchukin, L. V. Filippenko J. Mygind, and A. V. Ustinov II. Phis. Rev. B, -1997. -Vol.56. -P.5572-5577.

15. Betenev A. P., Radiation spectrum of a long Josephson flux-flow oscillator/. A. P. Betenev and V. V. Kurin //. Phis. Rev. B, -1997. -Vol.56. -P.7855-7857.

16. Pankratov A. L., Form and width of the spectral line of a Josephson flux-flow oscillator /. A. L. Pankratov II. Phis. Rev. B, -2002. -Vol.65. -P.054504.

17. Koshelets V. P. , Linewidth of Josephson flux-flow oscillators /. V. P. Koshelets, P. N. Dmitriev, A. S. Sobolev, A. L. Pankratov, V. V. Khodos, V. L. Vaks, A. M. Baryshev, P. R. Wesselius, and J. Mygind II. Physica C, -2002. -Vol.372. -P.316-321.

18. Russer P., Ein gleichstromgepumpter Josephson-Wanderwellenverstaerker /. P. Russer //. Wiss. Ber. AEG-TELEFUNKEN, -1977. -Vol.4/5. -P.171-182.

19. Kurin V. V. , Stimulated emission of microwave radiation by long Josephson junction: Josephson maser /. V. V. Kurin and A. V. Yulin //. Physica C, -1994. -Vol.235-240. -P.3331-3332.

20. Kurin V. V., Radiation of linear waves by solitons in a Josephson transmission line with dispersion /. V. V. Kurin and A. V. Yulin //. Phys. Rev. B, -1997. -Vol.55. -Р.И659-П669.

21. Baryshev A. M. , Forward and Backward Waves in Cherenkov Flux-Flow Oscillators /. A. M. Baryshev, A. V. Yulin, V. V. Kurin, V. P. Koshelets, P. N. Dmitriev, and L. V. Filippenko //. Supercond. Sci. Technol, -1999. -Vol.12. -P.967-969.

22. Chiginev A. V., Instability of a rectangular vortex lattice in a stack of two long Josephson junctions /. A. V. Chiginev and V. V. Kurin //. Phys. Rev. B, -2002. -Vol.66. -P.052510.

23. Ustinov A. V., Possible phase locking of vertically stacked Josephson flux-flow oscillators /. A. V. Ustinov, H. Kohlstedt, and C. Heiden II. Appl. Phys. Lett., -1994. -Vol.65. -P. 1457.

24. Shitov S. V. , On-chip radiation detection from stacked Josephson flux-flow oscillators /. S. V. Shitov, A. V. Ustinov, N. Iosad, and H. Kohlstedt //. J. Appl. Phis., -1996. -Vol.80. -P.7134-7137.

25. Ustinov A. V. , Submillimetr-band high-power generation using multilayered Josephson junctions /. A. V. Ustinov and S. Sakai //. Appl. Phys. Lett., -1998. -Vol.73. -P.686.

26. А. В. Юдин //. Резонансное излучение вихрей в джозефсоновских системах с дисперсией. Кандидатская диссертация, ИФМ РАН Нижний Новгород, -1998.

27. Kurin V. V. , Cherenkov radiation of vortices in a two-dimensional annular Josephson junction /. V. V. Kurin, A. V. Yulin, I. A. Shereshevsky, N. K. Vdovicheva, and A. V. Yulin II. Phys. Rev. Lett., -1998. -Vol.80. -P.3372.

28. А. А. Голубов А. В. Устинов , И. JI. Серпученко, Динамика джозефсоновского вихря в длинном переходе с неоднородностями теория и эксперимент /. А. В. Устинов А. А. Голубов, И. Л. Серпученко //. ЖЭТФ, -1988. -Т.94. -С.297-310.

29. Ustinov А. V. , Fluxon dynamics in one-dimensional Josephson-junction arrays /. A. V. Ustinov, M. Cirillo, and B. A. Malomed //. Phys. Rev. B, -1993. -Vol.47. -P.8357-8360.

30. Kivshar Yu. S., Dynamics offluxons in a system of coupled Josephson junctions /. Yu. S. Kivshar and B. A. Malomed //. Phys. Rev. B, -1988. -Vol.37. -P.9325-9330.

31. Kleiner R. , Intrinsic Josephson effects in Bi2Sr2CaCu20s single crystals /. R. Kleiner, F. Steinmeyer, G. Kunkel, and P. Muller //. Phys. Rev. Lett., -1992. -Vol.68. -P.2394.

32. Hechtfischer G., Non-Josephson Emission from Intrinsic Junctions in Bi2Sr2CaCu208+y: Cherenkov Radiation by Josephson Vortices /. G. Hechtfischer, R. Kleiner, A. V. Ustinov, and P. Muller //. Phys. Rev. Lett., -1997. -Vol.79. -P. 1365-1368.

33. Goldobin E. , Cherenkov radiation in coupled long Josephson junctions /. E. Goldobin, A. Wallraff, N. Thyssen, and A. V. Ustinov II. Phys. Rev. B, -1998. -Vol.57. -P.130-133.

34. Wallraff A., Whispering Vortices /. A. Wallraff, V. V. Kurin, A. Franz, and A. V. Ustinov //. Phys. Rev. Lett., -2000. -Vol.84. -P.151-154.

35. Wallraff A., Observation of whispering gallery resonances in annular Josephson junction /. A. Wallraff, A. Franz, V. V. Kurin, and A. V. Ustinov //. Physica B, -2000. -Vol.284. -P.575-576.

36. А. Бароне and Дж. Патерно II. Эффект Джозефсона: Физика и применения. Мир, -1984.

37. К. К. Лихарев //. Введение в динамику Джозефсоновских переходов. Наука, -1985.

38. Lee Gregory S., Analysis of linear resonances in modern Josephson junction geometries /. Gregory S. Lee II. IEEE Trans. Appl. Superconduct., -1991. -Vol.1. -P.121-125.

39. E. Goldobin and A. Wallraff 11. StkJJ User s Reference. Available online http://www.geocities.com/SiliconValey /Heights/7318/StkJJ.htm.

40. Kleiner R. , Intrinsic Josephson effects in high-Tc superconductors /. R. Kleiner and P. Muller II. Phys. Rev. B, -1994. -Vol.49. -P.1327-1341.

41. Lee J. U., Josephson vortex flow in superconducting single-crystal Bi2Sr2CaCu2Ox /. J. U. Lee, J. E. Nordman, and G. Hohenwarter //. Appl. Phys. Lett., -1995. -Vol.67. -P. 1471.

42. Yurgens A. , Strong temperature dependence of the c-axis gap parameter of Bi2Sr2CaCu208+i intrinsic Josephson junctions /. A. Yurgens, D. Winkler, N. Zavaritsky, and T. Claeson II. Phys. Rev. B, -1996. -Vol.53. -P.8887-8890.

43. Latyshev Yu. I. , Dimensional Crossover for Intrinsic dc Josephson Effect in Bi2Sr2CaCu208 2212 Single Crystal Whiskers /. Yu. I. Latyshev, J. E. Nevelskaya, and P. Monceau //. Phys. Rev. Lett., -1996. -Vol.77. -P.932.

44. Thyssen N. , Experimental study of flux flow and resonant modes in multi-junction Josephson stacks /. N. Thyssen, H. Kohlstedt, and A. V. Ustinov //. IEEE Trans. Appl. Supercond., -1997. -Vol.7. -P.2901-2904.

45. Hoist T. , Phase-locked Josephson soliton oscillators /. T. Hoist, J. Bindslev Hansen, N. Gronbech-Jensen, and J. A. Blackburn //. IEEE Trans, on Magn., -1991. -Vol.27. -P.2704-2707.

46. Sakai S., Fluxons in thin-film superconductor-insulator superlattices /. S. Sakai, P. Bodin, and N. F. Pedrsen //. J. Appl. Phis., -1993. -Vol.73. -P.2411.

47. Ryndyk D. A. , Collective dynamics of intrinsic Josephson junctions in high-Tc superconductors /. D. A. Ryndyk //. Phys. Rev. Lett., -1998. -Vol.80. -P.3376-3379.

48. Рындык Д. A., Неравновесный эффект Джозефсона в системах туннельных сверхпроводниковых контактов и в слоистых сверхпроводниках /. Д. А. Рындык //. ЖЭТФ, -1999. -Т.116. —С.1798—1816.

49. Wallraff А. , Numerical analysis of the coherent radiation emission by two stacked Josephson flux-flow oscillators /. A. Wallraff, E. Goldobin, and A. V. Ustinov //. J. Appl. Phys., -1996. -Vol.80. -P.6523-4S535.

50. Kohlstedt H., The role of surface roughness in the fabrication of stacked Nb/Al-A10x/Nb tunnel junctions /. H. Kohlstedt, F. Konig, P. Henne, N. Thyssen, and P. Caputo //. J. Appl. Phys., -1996. -Vol.80. -P.5512.

51. Goldobin E. , Strong coupling effects in (Nb-Al-A10I)2-Nb stacked junctions /. E. Goldobin, M. Yu. Kupriyanov, I. P. Nevirkovets, A. V. Ustinov, M. G. Blamire, and J. E. Evetts //. Phys. Rev. B, -1998. -Vol.58. -P. 15078.

52. Goldobin E. , Current locking in magnetically coupled long Josephson junctions /. E. Goldobin and A. V. Ustinov //. Phys. Rev. B, -1999. -Vol.59. -P.11532.

53. Gronbech-Jensen Niels , Hyperradiance from phase-locked soliton oscillators /. Niels Gronbech-Jensen and James A. Blackburn //. Phys. Rev. Lett., -1993. -Vol.70. -P. 12511254.

54. Petraglia A., Numerical study of fluxon dynamics in a system of two stacked Josephson junctions /. A. Petraglia, A. V. Ustinov, N. F. Pedersen, and S. Sakai //. J. Appl. Phys., -1995. -Vol.77. -P. 1171-1177.

55. Э. Б. Голдобин //. Связанные распределённые джозефсоновские переходы. Кандидатская диссертация, ИРЭ РАН Москва, -1997.