Усиливающий сверхпроводящий метаматериал



Усиливающий сверхпроводящий метаматериал
Усиливающий сверхпроводящий метаматериал
Усиливающий сверхпроводящий метаматериал
Усиливающий сверхпроводящий метаматериал
Усиливающий сверхпроводящий метаматериал
Усиливающий сверхпроводящий метаматериал

 

H01L39/00 - Приборы с использованием сверхпроводимости; способы или устройства для изготовления или обработки таких приборов или их частей (приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее H01L 27/00; сверхпроводники, отличающиеся способом формования или составом керамики C04B 35/00; сверхпроводники, сверхпроводящие кабели или передающие линии H01B 12/00; сверхпроводящие катушки или обмотки H01F; усилители с использованием сверхпроводимости H03F 19/00)

Владельцы патента RU 2579813:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Использование: для сверхмалошумящего усиления слабых радиотехнических сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что усиливающий сверхпроводящий метаматериал состоит из гальванически связанных элементарных ячеек, смещенных постоянным током и проявляющих эффект квантовой интерференции с участием двух или более джозефсоновских контактов, элементарные ячейки образуют в своей совокупности двухмерную равномерно распределенную в пространстве решетку, метаповерхность, а магнитное поле усиливаемого сигнала создается близко расположенной низкодобротной линией передачи, которая распределяет сигнал между всеми ячейками метаматериала. Технический результат: обеспечение возможности увеличить мощность насыщения и расширить частотный диапазон усиления. 6 ил.

 

Изобретение «Усиливающий сверхпроводящий метаматериал» может использоваться в различного рода приемных устройствах (детекторах) для сверхмалошумящего усиления слабых радиотехнических сигналов.

Аналогом усиливающего сверхпроводящего метаматериала является сверхпроводящий квантовый интерферометр со смещением по постоянному току (ПТ-сквид) (Джон Кларк, Михаэль Мюк, Марк-Оливер Андрэ, Йост Гэйл, Кристоф Хайден, «Микрополосковый усилитель на основе ПТ-сквида», Микроволновая Сверхпроводимость, в.375, 2001, стр. 473-504). ПТ-сквид представляет собой датчик магнитного поля, состоящий из двух джозефсоновских контактов, включенных в сверхпроводящее кольцо, индуктивно связанное с электромагнитной катушкой. Принцип использования ПТ-сквида для линейного усиления токов основан на предварительном линейном преобразовании входного сигнала в магнитное поле указанной катушки, которая создает магнитный поток, приложенный к петле сквида, который приводит к возникновению в сквиде сверхпроводящего тока. При наличии смещения постоянным напряжением приложение сигнала в виде магнитного поля приводит к возникновению экранирующего тока, на величину которого уменьшается измеряемый критический ток сквида. Поскольку вольт-амперная характеристика (ΒΑΧ) сквида зависит от критического тока, происходит модуляция рабочей точки ΒΑΧ с частотой сигнала; это является откликом сквида на переменный во времени внешний магнитно-токовый сигнал. Усиление и широкополосность ПТ-сквида зависят от амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) коэффициента связи по магнитному полю между сигнальной катушкой, генерирующей магнитное поле, и ПТ-сквидом. Фактически, мы имеем дело с трансформатором магнитного потока с отношением более 100, на конструкцию которого наложены значительные ограничения геометрического характера, связанные с технологией изготовления схем с джозефсоновскими контактами. Например, методами напыления тонких пленок, которые используются для изготовления сквидов, затруднительно изготовить вложенные катушки, наподобие традиционных низкочастотных трансформаторов, имеющих коэффициент связи по потоку, близкий к 100%. В силу технологических особенностей предпочтение отдается однослойным спиральным катушкам, которые имеют значительное поле рассеивания. Связь с такой катушкой трудно сделать эффективной из-за очень низкой индуктивности петли сквида (единицы пГн). Попытки увеличить коэффициент связи путем увеличения числа и плотности витков спиральной катушки приводят к появлению паразитных эффектов, таких как межвитковая емкость и распределенный характер токов, что ведет к возникновению нежелательных высокодобротных резонансов в полосе сигнала и невозможности создания широкополосного усилителя. В приведенной выше работе, демонстрирующей рекордную чувствительность сверхвысокочастотного усилителя на основе ПТ-сквида, используется именно высокодобротный резонанс сигнальной катушки. На сегодняшний день получение широкополосного усиления на ПТ-сквидах остается нерешенной проблемой.

Недостатками приведенного аналога являются: узкая полоса рабочих частот (не более 10% от центральной частоты), низкий уровень мощности насыщения (единицы пВт) и наличие джонсоновского шума резистивных шунтов джозефсоновских туннельных контактов, которые необходимы для получения безгестерезисной ΒΑΧ и желаемой вольт-потоковой характеристики ПТ-сквида.

Вторым аналогом усиливающего сверхпроводящего метаматериала является параметрический сквид-усилитель (Дж.Ю. Матус, Т.С. Уайт, Р. Барендс, «Джозефсоновский параметрический усилитель с сильной внешней связью», Письма в Журнал Прикладной Физики, 104, 263513, 2014). Он работает на основе параметрического эффекта модуляции нелинейной индуктивности сверхпроводящего тока в петле, содержащей один или несколько джозефсоновских контактов в режиме смещения током, не превышающим критический ток джозефсоновских контактов. Концептуально, параметрический сквид-усилитель имеет параметры, по порядку величины сходные с ПТ-сквидом (усиление, ширина полосы, квантовый уровень шума при сверхнизких температурах); отличия от усилителя на ПТ-сквиде состоят в необходимости накачки от специального высокочастотного генератора, а также в отсутствии постоянного напряжения смещения на контактах.

К недостаткам параметрического усилителя можно отнести низкий уровень мощности насыщения (на уровне единиц пВт), необходимость использования специально генератора сигнала накачки, а также узкую полосу рабочих частот (не более 10% от центральной частоты).

Прототипом устройства является последовательно включенная цепочка ПТ-сквидов (Вэлти, Р.П., Мартинис Джон М., «Последовательная цепочка ПТ-сквидов», Труды Международного Общества Электронных Инженеров в Области Магнетизма, т. 27, в. 2, стр. 2924-2926, 2002). Последовательное включение N ПТ-сквидов позволяет увеличить размах предельного выходного напряжения и соответственно увеличить мощность насыщения системы в N раз по сравнению с одиночным ПТ-сквидом.

Недостатком этого устройства является сильное влияние технологического разброса нормальных сопротивлений и критических токов отдельных сквидов, что не позволяет реализовать для всех последовательно включенных сквидов оптимальное (одинаковое) по току и по напряжению смещение. Например, для смещения такой цепочки возникают затруднения в установке оптимальной рабочей точки в центре линейного участка ΒΑΧ для каждого сквида. Такая ситуация неизбежно ведет к снижению мощности насыщения индивидуальных звеньев и в сумме снижает эффективность всей системы, вплоть до превращения части звеньев в балласт.

Технический результат выражается в том, что усиливающий сверхпроводящий метаматериал позволяет, в отличие от его прототипа, теоретически неограниченно увеличивать мощность насыщения. Открывается возможность расширять частотный диапазон усиления (до 20-30% от центральной частоты, f, а теоретически даже шире), сохраняя при этом шумовую температуру на уровне квантового предела n f k , что подразумевает охлаждение прибора до температуры T, которая удовлетворяет условию kT<nf.

Технический результат достигается тем, что используется усиливающий сверхпроводящий метаматериал, состоящий из гальванически связанных элементарных ячеек, смещенных постоянным током и проявляющих эффект квантовой интерференции с участием двух или более джозефсоновских контактов, отличающийся тем, что элементарные ячейки образуют в своей совокупности двухмерную равномерно распределенную в пространстве решетку, метаповерхность, а магнитное поле усиливаемого сигнала создается близко расположенной низкодобротной линией передачи, которая распределяет сигнал между всеми ячейками метаматериала.

Изобретение поясняется чертежом, где 1 - сигнальный СВЧ вход, подсоединенный к металлическому полоску, 2 - сверхпроводящий электрод подачи смещения и вывода усиленного сигнала, 3 - вывод СВЧ и ПТ заземления, 4 - настроечные конденсаторы, 5 - джозефсоновские контакты, 6 - подложка, 7 - контуры квантования магнитного поля сквидов. Фигура 1 в порядке слева направо поясняет качественный переход от аналога и прототипа к усиливающему сверхпроводящему метаматериалу: от одиночного ПТ-сквида к цепочке последовательно или параллельно включенных сквидов и далее к последовательно-параллельному включению сквидов, являющемуся вариантом описанной выше двухмерной решетки. В силу сильной связи всех ячеек такой структуры возникает синхронизация частоты джозефсоновского тока во всех ячейках и происходит автоматическое выравнивание напряжений на всех контактах даже при наличии определенного разброса параметров.

Фигура 2 представляет собой эскиз технической реализации активной области устройства с применением технологии тонких пленок и является трехмерным изображением электромагнитной модели, с помощью которой могут быть подтверждены заявленные электродинамические свойства устройства. Внешние по отношению к устройству электродинамические цепи - волноводы и проводники смещения - не показанны, так как они могут иметь стандартные решения и не претендуют на оригинальность. В нижнем слое располагается прямоугольная решетка джозефсоновских контактов размерностью N∗M. В соответствии с формализмом электромагнитного моделирования, импедансы джозефсоновских контактов представлены в виде высокочастотных портов, параметры которых отражают электрофизические свойства выбранного типа джозефсоновских контактов. В верхнем слое располагается сверхпроводящий полосок в форме меандра, наводящий кольцевые токи в элементарных ячейках решетки. Как показывают проведенные нами расчеты, правильным выбором числа элементарных ячеек и парциального поглощения каждого из них можно добиться того, что мощность сигнала, подведенная к полоску, практически полностью (на 70-80%) поглощается решеткой.

Фигура 3 демонстрирует результаты моделирования S-параметров электромагнитной модели, представленной в виде фигуры 2: показаны частотные зависимости коэффициента отражения входа S11 и коэффициента обратного прохождения S21 (изоляция выхода). Передаточная характеристика S21 не вычислялась, она определяется токополевой характеристикой петли сквида и предполагается такой же, как у обычного ПТ-сквида, то есть она полагается стандартным параметром и, по нашему мнению, ее точное значение не имеет решающего влияния на работу предлагаемого устройства.

Из анализа данных фигуры 3 видно, что в полосе более 2 ГГц (более 20% от центральной частоты) в области частоты 10 ГГц сигнал хорошо поглощается структурой, при этом паразитное прохождение сигнала между входом и выходом очень мало и в силу математической симметрии модели в расчете не превышает - 110 дБ.

Фигура 4 показывает адмиттанс портов электромагнитной модели в точках включения джозефсоновских переходов. Приведенные кривые подтверждают отсутствие упомянутых выше паразитных резонансов в системе сквид-сигнальный индуктор, по крайней мере, до частоты 300 ГГц. Это означает гладкость ΒΑΧ джозефсоновских переходов, а максимальная ожидаемая удвоенная амплитуда неискаженного выходного сигнала может достигать 600 мкВ. Это означает мощность насыщения джозефсоновского контакта, нагруженного на 50 Ом около 0,8 нВт. Для всего устройства, имеющего размерность Μ∗Ν=100, мощность насыщения можно оценить в 80 нВт (-41 дБм), что делает такой усилитель сравнимым по этому параметру с сверхмалошумящими слаботочными полупроводниковыми охлаждаемыми усилителями.

На фигуре 5 показан чертеж устройства чипа: 1 - сигнальный СВЧ вход, подсоединенный к металлическому полоску, 2 - сверхпроводящий электрод подачи смещения и вывода усиленного сигнала, 3 - вывод СВЧ и ПТ заземления, 4 - настроечные конденсаторы, 5 - джозефсоновские контакты, 6 - подложка, 7 - контура квантования магнитного поля сквидов.

На фигуре 6 представлена безгистерезисная ΒΑΧ типичного джозефсоновского перехода, пригодного для использования в сверхпроводящем усиливающем метаматериале. Ic - критический ток джозефсоновского перехода. Полный ток, текущий через контакт, образуется из сверхпроводящей и нормальной составляющих Is и In, соответственно. Vc - критическое напряжение джозефсоновского контакта (несколько сот микровольт).

Изобретение осуществляется следующим образом. Методами тонкопленочной технологии изготавливается чип, имеющий несколько специализированных электрических выводов, показанных на фигуре 5: 1 - сигнальный СВЧ вход, подсоединенный к металлическому полоску, 2 - сверхпроводящий электрод подачи смещения и вывода усиленного сигнала, 3 - вывод СВЧ и ПТ заземления, 4 - настроечные конденсаторы, 5 - джозефсоновские контакты, 6 - подложка тонкопленочной структуры, 7 - контуры квантования магнитного поля сквидов. Точки 1 и 2 подсоединены к высокочастотным линиям входа и выхода соответственно. Металлические сверхпроводящие слои, в которых изготовлены геометрические фигуры 2 и 3, разделены слоем диэлектрика везде, кроме специальных окошек, в которых сформированы джозефсоновские контакты 5; в принципе, геометрические фигуры 2 и 3 могут быть изготовлены в одном физическом слое в зависимости от конкретной технологии изготовления (от типа) джозефсоновского перехода. Слои, содержащие геометрические фигуры 2, 3 и джозефсоновские переходы, отделены слоем диэлектрика от геометрической фигуры 1, которая представляет собой металлический полосок, а конденсаторы 4 сформированы между геометрическими фигурами 1 и 3. Видно, что топологически число периодов структуры (число элементарных ячеек) может быть увеличено и по горизонтали, и по вертикали, и таким образом фигура 5 является одним из примеров реализации устройства. Принцип действия устройства состоит в том, что сигнал с СВЧ входа 1 подается в металлический полосок, находящийся в низкодобротном резонансе с конденсаторами 4 и решеткой джозефсоновских переходов. Ток, возникающий в полоске, создает магнитное поле, возбуждающее кольцевые токи в ячейках решетки. Энергия сигнала поглощается решеткой в соответствии импедансами кольцевых токов ячеек (парциальных сквидов), что продемонстрированно на фигуре 3. На электрод смещения 2 подается постоянный ток, обеспечивающий смещение рабочей точки джозефсоновских контактов на напряжение порядка 300 микровольт. Около точки смещения происходит модуляция ΒΑΧ джозефсоновских переходов в соответствии с мгновенным полем сигнала в полосковой линии 1. Вследствие сильной связи соседних ячеек системы будет происходить синхронизация джозефсоновских токов, и при этом устанавливается строгое равенство частот (напряжений) на всех синхронизированных контактах, что позволяет оптимизировать вклад в общее усиление всех ячеек устройства. Усиленный сигнал снимается с электрода 2 в виде высокочастотной модуляции тока смещения. Емкость конденсаторов 4 выбирается в соответствии с заданной центральной частотой усилителя. В устройстве должны быть использованы джозефсоновские переходы с безгистерезисной ΒΑΧ изображенной, как пример, на фигуре 6.

Усиливающий сверхпроводящий метаматериал, состоящий из гальванически связанных элементарных ячеек, смещенных постоянным током и проявляющих эффект квантовой интерференции с участием двух или более джозефсоновских контактов, отличающийся тем, что элементарные ячейки образуют в своей совокупности двухмерную равномерно распределенную в пространстве решетку, метаповерхность, а магнитное поле усиливаемого сигнала создается близко расположенной низкодобротной линией передачи, которая распределяет сигнал между всеми ячейками метаматериала.



 

Похожие патенты:

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение эффективного охлаждения сверхпроводящего элемента при срабатывании токоограничивающего устройства.

Использование: для изготовления полупроводниковых изделий. Сущность изобретения заключается в том, что ограничитель мощности СВЧ включает электроды и емкостные элементы.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой сверхпроводящий быстродействующий размыкатель и может быть использовано для ввода и вывода энергии сверхпроводящих магнитных систем, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.

Описан сверхпроводящий элемент, включающий жесткую подложку, изготовленную из несверхпроводящего материала, причем указанная подложка включает по меньшей мере одну сверхпроводящую дорожку, образованную канавкой, содержащей сверхпроводящий материал, плотность которого равна по меньшей мере 85% от значения его теоретической плотности, и описан способ изготовления указанного элемента.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при изготовлении сверхпроводящих изделий, в частности высокочастотных объемных резонаторов, волноводов, линий задержки и т.п.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в магнитно-резонансных томографах. .
Изобретение относится к области получения специальных сплавов в виде покрытий или самонесущих изделий и может быть использовано в металлургии, машиностроении, материаловедении и других отраслях.

Изобретение относится к области криоэлектроники и может быть использовано для получения объемов повышенной магнитной чистоты. .
Изобретение относится к области получения сверхпроводников, сверхпроводящих композиций и проводников на их основе. .

Использование: для изготовления сверхпроводниковых датчиков излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления сверхпроводящих многосекционных оптических детекторов, включающий формирование отдельных секций из сверхпроводящих нанопроводов, образующих рисунок в виде меандра, и сверхпроводящих соединительных проводов для соединения секций через токоограничители с контактными площадками, токоограничители формируют путем нанесения на сформированную структуру защитной резистивной маски, вскрытия в ней окон над отрезками соединительных проводов меандра с контактной площадкой и преобразованием их в несверхпроводящие за счет селективного изменения атомного состава воздействием пучка ускоренных частиц через защитную маску. Технический результат: обеспечение возможности создания нанорезисторов с высокими эксплуатационными характеристиками и меньшим количеством технологических операций. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх