Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Дивин Юрий Яковлевич
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ И СПЕКТРОСКОПИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЖОЗЕФСОНОВСКИМИ ПЕРЕХОДАМИ ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Москва - 2010
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, а также в Исследовательском центре г. Юлиха (ФРГ) в рамках соглашения о научном сотрудничестве.
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Кошелец Валерий Павлович доктор физико-математических наук, профессор Куприянов Михаил Юрьевич доктор физико-математических наук Лукичев Владимир Федорович
Ведущая организация: Московский государственный университет им.
М.В. Ломоносова (Физический факультет).
Защита состоится 18 февраля 2011г., в 10-00, на заседании диссертационного совета Д 002.231.03 при Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН по адресу:125009, Москва, ул. Моховая 11, корп.7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.
Автореферат разослан л___________________2011г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук В.Н.Корниенко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы Сверхпроводниковая электроника начала бурно развиваться после открытия в начале 60-х годов прошлого века эффектов квазичастичного и джозефсоновского туннелирования в переходах сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) [1], [2]. Процессы туннелирования в СИС переходах характеризуются малыми шумами, низким уровнем диссипации, высоким уровнем нелинейности статических и динамических характеристик, малой инерционностью и высокой чувствительностью к внешним электромагнитным полям.
Такой набор характеристик оказывается весьма привлекательным для создания новых перспективных электронных устройств. Туннелирование квазичастиц в СИС переходах из низкотемпературных сверхпроводников (Nb, NbN) уже успешно используется в высокочувствительных супергетеродинных приемниках электромагнитного излучения, разрабатываемых для радиоастрономии [3].
Особый интерес вызывают применения джозефсоновского туннелирования.
Например, стационарный эффект Джозефсона используется в высокочувствительных сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиках (СКВИД) постоянных магнитных полей [4]. А нестационарный эффект Джозефсона применятся в метрологии для обеспечения квантового стандарта постоянного электрического напряжения, в цифровой электронике при разработке сверхбыстродействующих элементов логики, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, а также при исследованиях возможности создания генераторов, детекторов и спектрометров электромагнитного излучения [5]-[9].
Применения нестационарного эффекта Джозефсона для генерации, обнаружения и анализа электромагнитного излучения были предложены буквально сразу после открытия этого эффекта [10]. Однако, интенсивности джозефсоновской генерации у одиночных джозефсоновских переходов оказались весьма низки и поэтому генераторы электромагнитного излучения на одиночном джозефсоновском переходе используются в лишь в специальных случаях, а именно, в качестве опорных генераторов в супергетеродинных приемниках, работающих на сильной квазичастичной нелинейности в СИС переходах [11], и в спектроскопических экспериментах совместно с высокочувствительным низкотемпературным болометром [12].
Джозефсоновские переходы оказались весьма эффективными в качестве широкополосных детекторов электромагнитного излучения [13] и высокие, ограниченные тепловым фоном, значения предельной чувствительности NEP до 110-14 Вт/Гц1/2 были продемонстрированы на частоте 170 ГГц с использованием ниобиевых микроконтактов при гелиевых температурах [14].
Весьма интересным представляется применение джозефсоновских переходов в качестве частотно-селективных детекторов и, соответственно, спектрометров для исследования электродинамического окружения переходов и внешнего излучения. В этих спектроскопических применениях используется модификация динамики джозефсоновских колебаний под воздействием внешней пассивной электродинамической системы или внешнего электромагнитного излучения, что регистрируется по изменению статических вольтамперных характеристик (ВАХ) перехода. В рамках простой резистивной модели [13] джозефсоновского перехода было теоретически показано, что изменения ВАХ пропорциональны действительной части адмиттанса ReY(fj) внешней системы как функции джозефсоновской частоты fj [15]. В случае же внешнего излучения со спектральным составом S(f) изменения ВАХ пропорциональны преобразованию Гильберта от спектра падающего излучения [16].
Особый интерес представляет реализация детекторных и спектроскопических применений нестационарного эффекта Джозефсона в терагерцовом диапазоне частот. В последнее время этот диапазон, охватывающий область частот от 0.1 ТГц до 10 ТГц и являющийся промежуточным между микроволновой и инфракрасной областями спектра привлекает все большее внимание исследователей, специализирующихся в физике твердого тела, физике высоких энергий, телекомуникациях, биологии, медицине и проблемах безопасности [17]-[19]. Общепринятые методы детектирования и спектроскопии, разработанные для более низких частот, в микроволновом диапазоне, или для более высоких частот, в инфракрасном диапазоне, существенно ухудшают свои параметры при применении их в промежуточном терагерцовом диапазоне [10].
Основные достижения в сверхпроводниковой электронике до последнего времени были связаны с использованием туннельных переходов из низкотемпературных сверхпроводников, таких как Nb или NbN, с рабочими температурами, как правило, в области температур жидкого гелия. Ограничение сверху на частотный диапазон у туннельных переходов связано с наличием в спектре возбуждений сверхпроводника энергетической щели 2. Для Nb и NbN эти граничные частоты 2/h составляют около 7ГГц и 1200 ГГц, соответственно. Данное обстоятельство не позволяет существенно продвинуться вглубь терагерцового диапазона, используя переходы из традиционных низкотемпературных сверхпроводников. Кроме того, для эффективной работы ряда детекторов и спектроскопических методов, основанных на нестационарном эффекте Джозефсона, необходимо, чтобы джозефсоновские переходы описывались в рамках идеальной резистивной модели [13]. Приближение к резистивной модели возможно в реальных переходах с малой электрической емкостью при напряжениях V и частотах f, значительно ниже щелевых 2/e и 2/h, соответственно. Это обстоятельство еще более ограничивает рабочие частоты таких устройств.
С открытием в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) [20], у которых щелевые частоты 2/h могут достигать несколько десятков ТГц [21], появилась принципиальная возможность существенно расширить частотный диапазон сверхпроводящих приемных и спектроскопических устройств в область терагерцовых частот. Кроме того, их рабочие температуры могут быть повышены вплоть до температур 60-80 К, где возможно применение жидкого азота или компактных, эффективных и надежных криоохладителей замкнутого цикла, например, охладителей, работающих по циклу Стирлинга.
Джозефсоновские детектирование и спектроскопия как новые подходы с повышенными характеристиками и функциональными возможностями, представляются весьма перспективными для применения в широкой полосе частот, начиная от области сверхвысоких частот до малоисследованной терагерцовой области частот. Джозефсоновские детекторы и спектрометры, при реализации их потенциальных преимуществ в терагерцовой области частот, смогут составить конкуренцию методикам и устройствам, уже использующимся в этом диапазоне.
Целью диссертационной работы является реализация джозефсоновских методов детектирования и спектроскопии в широкой, вплоть до терагерцовой области частот электромагнитного излучения. Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
1. Разработка джозефсоновских переходов с характерными джозефсоновскими частотами, достигающими терагерцового диапазона.
2. Изучение статических и динамических электрических характеристик таких переходов, а также степени их близости к таковым в резистивной модели.
3. Разработка лабораторных макетов детекторов и спектрометров на основе таких джозефсоновских переходов;
4. Установление спектральных, мощностных и скоростных ограничений джозефсоновских детекторов и спектрометров;
5. Получение опыта применения таких устройств.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
1. Обнаружено, что нечетно-симмметричные частотно-селективные детекторные отклики джозефсоновских переходов на узкополосное электромагнитное излучение, измеренные как функции напряжения или центральной частоты излучения, уширяются при увеличении спектральной ширины излучения, на основании условий обнаружения указанных зависимостей разработаны аналоговые части гильберт-спектрометров, подтверждена работоспособность метода гильберт-спектроскопии при использовании ВТСП джозефсоновских переходов.
2. Установлены условия приготовления и электрические параметры эпитаксиальных пленок YBa2Cu3O7-x с наклонными, до 72, осями с для применений в качестве базовых электродов в джозефсоновских переходов.
3. Разработаны методики приготовления и лазерного контроля джозефсоновских бикристаллических переходов из YBa2Cu3O7-x с характерными напряжениями IcRn до 8 мВ и отличиями их ВАХ от ВАХ в резистивной модели, не превышающими 0,5% при температурах выше 50К, для применений в терагерцовых детекторах и спектрометрах.
4. Продемонстрированы применения адмиттансной джозефсоновской спектроскопии для исследования потерь в барьерах и электродах ВТСП переходов, а также в их окружении.
5. Разработаны макеты частотно-селективных детекторов на основе джозефсоновских бикристаллических YBa2Cu3O7-x переходов, в т.ч. с охлаждением без использования криогенных жидкостей, и достигнуты следующие параметры, определяемые собственными флуктуациями в переходах и поглощением на оптических фононах в YBa2Cu3O7-x:
спектральный диапазон fj = 5 GHz - 5 THz, относительное разрешение f/f до 10-3, мощность, эквивалентная шуму, NEP = (85)10-15 W/Hz1/2, динамический диапазон по мощности D = 105.
6. Разработаны макеты гильберт-спектрометров с использованием джозефсоновских детекторов из YBa2Cu3O7-x, в т.ч. с охлаждением без использования криогенных жидкостей.
7. Продемонстированы применения гильберт-спектроскопии для быстрого анализа источников терагерцового излучения и идентификации жидкостей.
Достоверность полученных результатов подтверждена исследованиями на большом количестве YBa2Cu3O7-x пленок и бикристаллических переходов, большим объемом измерений основных характеристик, использованием различных методов контроля параметров пленок и переходов, вариантами разработанных макетов, многократными демонстрациями практического использования. Значительная часть результатов, полученных впервые автором, согласуется также с результатами исследований, проведенными впоследствии другими научными группами.
Результаты проведенного цикла исследований представляют практическую ценность для разработки широкополосных высокочувствительных и малоинерционных приемных и спектроскопических устройств, работающих в частотном диапазоне до нескольких ТГц.
Проведенный цикл экспериментальных работ позволил:
1. Разработать методики приготовления ВТСП джозефсоновских переходов и лазерного контроля их качества, что позволило создать ВТСП переходы с рекордно высокими, до 8 мВ, величинами характерных напряжений и достигнуть рекордных величин, до 5.2 ТГц, частот джозефсоновской генерации.
2. Проводить оптимизацию рабочих температур и характеристик ВТСП переходов для применений с заданными полосой входных частот, точностью измеряемых сигналов и скоростью измерений.
3. Создать ряд экспериментальных макетов детекторных и спектроскопических устройств, в том числе и при интеграции ВТСП переходов с криоохладителями Стирлинга.
4. Использовать разработанные макеты для ряда применений, в том числе для спектрального анализа источников электромагнитного излучения до частот 5 ТГц и для идентификации жидкостей по отраженному излучению в диапазоне 10-1000 ГГц.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментальная часть разработки метода гильберт-спектроскопии: обнаружение уширения джозефсоновского отклика внешним излучением, подтверждение работоспособности при использовании джозефсоновских переходов из высокотемпературных сверхпроводников и аналоговая часть спектрометров.
2. Условия приготовления и электрические параметры эпитаксиальных пленок YBa2Cu3O7 с наклонными, до 72, осями с для применений в качестве базовых электродов в x джозефсоновских переходов.
3. Методики приготовления и лазерного контроля джозефсоновских бикристаллических переходов из YBa2Cu3O7-x с характерными напряжениями IcRn до 8 мВ и отличиями их ВАХ от ВАХ в резистивной модели, не превышающими 0,5% при температурах выше 50К, для применений в терагерцовых детекторах и спектрометрах.
4. Демонстрация применения адмиттансной джозефсоновской спектроскопии для исследования потерь в барьерах и электродах ВТСП переходов, а также в их окружении.
5. Разработка макетов частотно-селективных детекторов на основе джозефсоновских бикристаллических YBa2Cu3O7-x переходов, в т.ч. с охлаждением без использования криогенных жидкостей, и достижение параметров, определяемых собственными флуктуациями в переходах и поглощением на оптических фононах в YBa2Cu3O7-x, а именно:
спектральный диапазон fj = 5 GHz - 5 THz, относительное разрешение f/f до 10-3, мощность, эквивалентная шуму, NEP = (85)10-15 W/Hz1/2, динамический диапазон по мощности D = 105.
6. Разработка макетов гильберт-спектрометров с использованием джозефсоновских детекторов из YBa2Cu3O7-x, в т.ч. с охлаждением без использования криогенных жидкостей.
7. Демонстрация применений гильберт-спектроскопии для быстрого анализа источников терагерцового излучения и для идентификации жидкостей.
Разработанные методы приготовления и контроля качества ВТСП джозефсоновских переходов, проведенные экспериментальные исследования их основных свойств, реализация детекторных и спектроскопических применений, могут рассматриваться как решение крупной научной проблемы в сверхпроводниковой электронике - создание технологических и физических основ детекторов и спектрометров на основе ВТСП джозефсоновских переходов.
Диссертация выполнена в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, а также в Исследовательском центре г. Юлиха (ФРГ) согласно соглашению о научном сотрудничестве между ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и Исследовательским центром г. Юлиха. Ее основные результаты получены в ходе выполнения плановых научно-исследовательских работ, проводимых в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, проектов Совета по ВТСП, государственных контрактов Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦНТП, грантов РФФИ и МНТЦ, а также договоров о научном сотрудничестве, в которых автор диссертации был ответственным исполнителем или руководителем.
Апробация работы Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на научных семинарах и Ученых Советах в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН (2010, Москва,) и Институте физики твердого тела Исследовательского центра г. Юлиха (1999, Юлих, ФРГ), заседаниях Германского физического общества (2000, 2001 (приглашенный), ФРГ), международных научных семинарах по криоэлектронным устройствам (2001, 2004, 2007, ФРГ), терагерцовым технологиям (2005 (приглашенный), Osaka, Япония), по европейской сети ускорителей электронов (2004, Frascati, Италия), детектированию жидких взрывчатых веществ (20(приглашенный), С.Петербург, Россия), наноструктурированным сверхпроводникам (20(приглашенный), Freudenstadt-Lauterbad, ФРГ), на приглашенных семинарах в фирме Conductus Inc. (1998, Sunnyvale, США), Международном центре сверхпроводниковой технологии (2005, International Superconductivity Technology Center, Tokyo, Япония), Католическом Университете г. Левена (2008, Lueven, Бельгия). Результаты работы докладывались на международных конференциях по прикладной сверхпроводимости (Applied Superconductivity Conference, ASC) 1982, 1988, 1990, 1992, 1996, 1998, 2000, 2002, 2006, 2010;
по сверхпроводниковой электронике (International Superconductive Electronics Conference, ISEC) 1989, 1997, 2009 (приглашенный); по инфракрасным и миллиметровым волнам (International Conference on Infrared and Millimeter Waves, IRMMW) 1984, 1989, 2001, 20(приглашенный), 2006, 2009, 2010; по исследованиям в области безопасности (Future Security Research Conference) 2007, 2008, 2010; по материалам и механизмам сверхпроводимости и высокотемпературным сверхпроводникам (International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors, M2S-HTSC) 1994, 2006; по прикладному электромагнетизму и коммуникациям (International Conference on Applied Electromagnetics and Communications, Dubrovnik, Хорватия) 2005 (приглашенный); по наноэлектронным устройствам для обороны и безопасности (Nanoelectronic Devices for Defense & Security Conference, Crystal City, США)2007 (приглашенный); по фундаментальным проблемам высокотемпературной сверхпроводимости (2006, Звенигород, Россия); по ускорителям частиц 1999 IEEE Particle Accelerator Conference (1999, New York, США); на европейских конференциях по прикладной сверхпроводимости (European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS) 1993, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009. докладов в научных организациях и фирмах, а также 9 докладов на международных конференциях, семинарах и школах являются приглашенными.
ичный вклад автора Представленная диссертация является циклом экспериментальных работ. В работах [А1]-[A5] диссертанту принадлежат следующие результаты: обнаружение уширения джозефсоновского отклика внешним излучением и разработка аналоговой части спектрометров. Все приведенные в диссертации экспериментальные результаты в работах [A6]-[A84] получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии, где соискателю принадлежит основная роль в постановке задачи и в разработке экспериментальных методик, а также интерпретации результатов и написании работ.
Основная часть образцов сверхпроводящих пленок и джозефсоновских переходов (в работах [А1]-[А6], [А30]-[А36], [А38]-[А84]) изготовлена лично соискателем. Пленки и джозефсоновские переходы, использовавшиеся соискателем на начальном этапе данного цикла работ до 1994 г., изготовливались И.М. Котелянским, С.Г. Зыбцевым, Р.Н. Шефталем (ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН), в группе P. Chaudhari (IBM), в группе A. Braginski (Forschungszentrum Jlich), в группе T. Freltoft (NKT). Подложки из NdGaO3 изготавливались И.М. Котелянским (ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН). Исследования наноструктуры YBa2Cu3O7-x пленок и переходов, приготовленных соискателем, с помощью просвечивающей электронной микроскопии проводились сотрудниками J.-W. Seo и C.-L. Jia из Института микроструктурных исследований под руководством профессора K. Urban (Исследовательский центр г. Юлиха, ФРГ). Вклад в разработку авторских свидетельств и патентов считается равным.
Публикации Основные результаты диссертации отражены в 84 печатных работах, в том числе статьях и 6 авторских свидетельствах и патентах. Все эти печатные работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень Высшей аттестационной комиссией (ВАК). Список основных публикаций соискателя в изданиях, включенных в перечень ВАК (в том числе, входящих в системы цитирования Web of Science, Scopus, Web of Knowledge), приведен в конце диссертации. Общий объем работ, опубликованных по теме диссертации, составляет, приблизительно, 440 страниц.
Представленный цикл работ не включает материалы, вошедшие в кандидатскую диссертацию автора, которая была защищена в ИРЭ в 1979 году [14]. Однако, первое экспериментальное подтверждение работы гильберт-спектроскопии было получено с помощью ниобиевых микроконтактов, разработанных во время работы автора над кандидатской диссертацией, и из экспериментов, проведенных во время работы автора над кандидатской диссертацией.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка опубликованных печатных работ из 84 наименований и списка цитированной литературы из 68 наименований.
Она содержит 164 страниц текста, включая 41 рисунок и 2 таблицы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, отмечается новизна и практическая ценность работы, описывается структура и содержание диссертации.
Глава 1 посвящена обзору джозефсоновских методов детектирования и спектроскопии, непосредственно относящих к теме данной работы. В разделе 1.1 приведены основные уравнения, описывающие нестационарный эффект Джозефсона, статические и динамические свойства джозефсоновского перехода в резистивной модели.
Раздел 1.2 содержит основные положения джозефсоновской адмиттансной спектроскопии [15]. При подключении внешней электродинамической системы с комплексным частотно-зависимым адмиттансом Ye(f) к автономному джозефсоновскому переходу происходят изменения I(V) вольтамперной характеристики, которые пропорциональны действительной части внешнего адмиттанса ReYe(2eV/h). Таким образом, адмиттансная джозефсоновская спектроскопия может дать информацию о спектральном распределении потерь в окружении перехода.
В разделе 1.3 в рамках резистивной модели приведены основные уравнения для квадратичного отклика I(V) джозефсоновского перехода на внешнее монохроматическое электромагнитное излучение [13] и электромагнитное излучение с произвольным спектром [16], а также основные уравнения гильберт-спектроскопии [16]. Отклик I(V) на воздействие слабого монохроматического излучения с частотой f содержит единственный нечетносимметричный резонанс вблизи напряжения V=hf/2e и пропорционален квадрату амплитуды внешнего сигнала IA. А отклик I(V) джозефсоновского перехода на воздействие сигнала с произвольным спектром S(f) пропорционален гильберт-преобразованию этого спектра [16].
Применение обратного гильберт-преобразования к экспериментально измеряемой функции H(V), состоящей из произведения отклика I(V), напряжения V и вольтамперной характеристики I(V), позволяет восстановить спектр S(f) внешнего сигнала [16].
Раздел 1.4 посвящен перспективным применениям джозефсоновских методов детектирования и спектроскопии, особенно их реализации в терагерцовом диапазоне частот от 0.1 ТГц до 10 ТГц. Указывается, что в гильберт-спектроскопии трансформация спектра в электрический сигнал производиться только наноразмерным, высокоскоростным электронным элементом, джозефсоновским переходом, с электронным сканированием спектра, тогда как в фурье-спектроскопии и спектроскопии временного разрешения эта процедура требует медленных оптико-механических устройств, таких как двухлучевой интерферометр или линия оптической задержки, и широкополосного детектора.
Потенциально высокие параметры джозефсоновских переходов, такие как быстродействие, широкополосность и чувствительность к электромагнитному излучению, а также простота сканирования спектра путем изменения напряжения на переходе, могут обеспечить преимущества джозефсоновской технологии при реализации быстродействующих частотноселективных детекторных и спектроскопических устройств в терагерцовом диапазоне частот.
В разделе 1.5 приведена цель диссертационной работы и сформулированы основные задачи исследования. Целью диссертационной работы является реализация джозефсоновских методов детектирования и спектроскопии в широкой, вплоть до терагерцовой области частот электромагнитного излучения. Для достижения этой цели необходимо проведение цикла экспериментальных исследований, включающих разработку джозефсоновских переходов с характерными джозефсоновскими частотами, достигающими терагерцового диапазона;
изучение статических и динамических электрических характеристик таких переходов, а также степени их близости к таковым в резистивной модели; разработку лабораторных макетов детекторов и спектрометров на основе таких джозефсоновских переходов; изучение спектральных, мощностных и скоростных ограничений таких устройств; получение опыта их применения.
В главе 2 представлены результаты экспериментальных работ по реализаций джозефсоновских детекторов и гильберт-спектрометров на основе низкотемпературных сверхпроводников [А1] -[А8], [А16], [А17], [A19], [А23]. К моменту начала работы соискателя над диссертацией, не существовало джозефсоновских переходов, которые описывались бы резистивной моделью и, в то же время, могли бы иметь джозефсоновские частоты в терагерцовом диапазоне. Ниобиевые микроконтакты, ранее использовавшиеся в экспериментах по широкополосному и частотно-селективному детектированию [14], имели высокие значения характерных напряжений IcRn около 2 мВ при гелиевых температурах и высокую чувствительность к субтерагерцовому излучению. Однако даже их статические вольтамперные характеристики существенно отличались от таковых из резистивной модели, в частности, из-за наличия избыточного тока и субгармонических щелевых особенностей [14], [22].
Тем не менее, именно у таких переходов соискателю удалось экспериментально обнаружить интересный эффект: уширение резонансных зависимостей детекторного отклика на узкополосное электромагнитное излучение при увеличении спектральной ширины излучения. Узкополосное излучение со спектральной шириной f (f/f 1) реализовывалось в выходном излучении монохроматора дальнего инфракрасного диапазона и его ширина f могла изменяться при изменении геометрической ширины d щелей монохроматора. Использование ниобиевых микроконтактов, сильно отличающихся от резистивной модели, оказалось возможным для спектроскопии в специальном случае узкополосных (f/f 1) спектров и при частотах f 600 ГГц, при которых нечетнорезонансные отклики перехода попадали в область напряжений около минимума дифференциального сопротивления Rd(V) при 1,25 мВ, обусловленного субгармонической щелевой особенностью [A1]-[A5].
Измеренные нечетно-симметричные зависимости детекторных откликов ниобиевых контактов от напряжения V (рис.1а) и центральной частоты f0 узкополосного излучения (рис.1б) при увеличении щелей монохроматора от 10 мм до 20 мм оказались в два раза шире [A3] - [A5]. Соискателем было предложено использовать такую связь между шириной детекторного отклика и спектральной шириной излучения для определения спектральной ширины излучения из монохроматора. После того, как А.Я. Шульман предложил применить к измеренному отклику преобразование Гильберта и вывел основные уравнения гильбертспектроскопии, измеренные соискателем зависимости отклика (рис.1а и рис.1б) были использованы для первого подтверждения работоспособности гильберт-спектроскопии при частотах около 20 см-1 (600 ГГц) [A1]-[A5]. Условия проведения этих экспериментов по уширению нечетно-резонансных откликов внешним излучением, такие как соотношение между шириной линии генерации f в переходе и заданным разрешением f1 (f < f1), а также выбор сканируемых параметров в виде Отклик Отклик напряжения (рис.1а) и центральной (отн.ед.) (отн.ед.) частоты узкополосного излучения (a) (б) (рис.1б), были введены в формулы патентов [A3], [A4].
Аппаратные функции решеточного монохроматора при V [мВ] f0 [cм-1] различной ширине выходных щелей, как полученные по формулам гильберт-спектроскопии из экспериментальных данных (рис.1а) и (в) (рис. 1б) (сплошные линии) [A2]-[A5], так и расчетные из теории аппаратной функции (кружки) [A1], представлены на рис. 1в.
Cоискателем были предложены устройства аналоговой части вариантов гильберт-спектрометров [A3], [A4].
Гильберт-спектрометр состоит из аналоговой части и гильбертпреобразователя. В простейшем варианте аналоговая часть f [cм-1] спектрометра представляет собой частотно-селективный детектор, Рис. 1. Измеренные отклики микроконтакта Nb- состоящий из модулятора излучения, Nb на узкополосное излучение из решеточного джозефсоновского детектора, с монохроматора с выходными щелями d = 20 мм шириной линии джозефсоновской (а) и d = 10 мм (б) [A3]-[A5]; (в): спектры S(f) генерации f, меньше требуемого выходного излучения решеточного разрешения f1, синхронного детектора монохроматора (сплошные линий) при двух и блока управления, задающего и величинах щелей: 1- 20 мм, 2 - 10 мм, сканирующего напряжение на полученные из (a) и (б) [A2]-[A5], в сравнении с джозефсоновском переходе, а также расчетными данными (кружки) [A1].
выдающего сигналы, пропорциональные току I через переход и напряжению V на переходе [A3], [A4]. Отклик I с выхода синхронного детектора, который также является и выходом аналогового частотно-селективного детектора, подается на преобразователь Гильберта, куда также подаются сигналы, пропорциональные току и напряжению на переходе.
Далее приводятся результаты оценки потенциала ниобиевых микроконтактов с высокими значениями IcRn для спектроскопии в более широкой полосе частот, чем было реализовано в экспериментах на решеточном монохроматоре, вплоть до терагерцового диапазона [A6], [A7]. Хотя ширины f линий джозефсоновской генерации при 762 ГГц были в несколько раз выше расчетных из уравнения (6) из-за неравновесного характера флуктуаций при eV > kT, удалось реализовать величины f до 1 ГГц (0,03 см-1) [A6], [A7].
Последнее значение сравнимо со спектральным разрешением лучших фурье-спектрометров дальнего инфракрасного диапазона. Однако, такие переходы при температуре 4,2 К показали значительные отклонения от резистивной модели как в ВАХ, так и в отклике, а также сильное ослабление частотно-селективного детекторного отклика при продвижении в терагерцовый диапазон.
Из других попыток выяснить применимость для детектирования, визуализации и спектроскопии как переходов с малой емкостью на основе ниобиевых монокристаллов и пленок, так и туннельных переходов на основе эпитаксиальных пленок нитрида ниобия [А8], S ( f ) (отн.ед.) [А16], [А17], [А19], [А23], наиболее успешной оказалось использование тонкопленочных ниобиевых переходов с барьером из аморфного кремния, изготовленных в группе В. Махова.
Была продемонстрирована работа гильберт-спектроанализатора в диапазоне частот до 1ГГц с разрешением около 2 ГГц и быстродействием до десятков миллисекунд [А23]. Однако использовавшиеся переходы обладали низкими характерными напряжениями и отличались от переходов, описываемых резистивной моделью, что сказывалось на точности восстанавливаемых спектров. Попытки продемонстрировать работу гильберт-спектроскопии другими группами, используя низкотемпературные переходы, например, на основе шунтированных тонкопленочных ниобиевых туннельных переходов, ограничились лишь частотами до 100 ГГц [23].
С открытием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в 1986 году, одновременно с выяснением возможностей переходов из низкотемпературных сверхпроводников для терагерцового детектирования и спектроскопии, соискателем были начаты работы по изучению ВТСП для подобных применений. В конце главы приведены выводы.
В главе 3 приводятся обоснования использования ВТСП джозефсоновских переходов для детекторов и спектрометров.
Раздел 3.1 содержит обсуждение соотношения ток-фаза в джозефсоновском токе для различных типов переходов [25] и приводится описание свойств ВТСП, которые существенны для приготовления джозефсоновских переходов, описывающихся резистивной моделью и обладающих высокими характерными напряжениями IcRn. Из-за более высоких значений энергетических щелей высокотемпературных сверхпроводников джозефсоновские переходы из этих материалов с величиной IcRn порядка 1 мВ могут гораздо лучше соответствовать резистивной модели по сравнению с переходами из низкотемпературных сверхпроводников с близкими величинами IcRn. По этой же причине предположено, что спектральная область высокой чувствительности к воздействию внешнего электромагнитного излучения, сама чувствительность и область рабочих температур джозефсоновского детектирования и спектроскопии могут быть значительно расширены и улучшены при использовании ВТСП джозефсоновских переходов. Обосновывается выбор YBa2Cu3O7-x для базовых электродов переходов как наиболее исследованного и технологичного ВТСП материала. Среди основных препятствий в разработке высококачественных джозефсоновских переходов из ВТСП указано на весьма малые величины длин когерентности у ВТСП. Малые величины длины когерентности в ВТСП приводят к быстрому подавлению волновой функции сверхпроводящего конденсата вблизи атомных дефектов любого рода, присутствующих в этих материалах, таких как двойники, дислокации, границы зерен и т.п. Оказалось, что такие естественные барьеры, как границы ВТСП зерен, ведут себя как джозефсоновские переходы при больших углах взаимных разориентировок [24]. Различные типы ВТСП переходов, использующие границы зерен, различаются по виду контролируемого приготовления этих границ с заданными разориентациями. Наиболее перспективными для электроники являются тонкопленочные варианты переходов, поэтому основное внимание уделено именно этим реализациям.
В разделе 3.2 описываются виды тонкопленочных ВТСП переходов на границах зерен, приготовленных различными исследовательскими группами, и приводятся результаты исследований их свойств с целью выяснения их потенциала для детекторных применений.
Были изучены поликристаллические YBa2Cu3O7-x пленки, зерна которых имели преимущественно с-ориентацию со случайной разориентировкой в плоскости a-b. Было показано, что электрические свойства и джозефсоновское поведение тонких поликристаллических пленок высокотемпературных сверхпроводников описываются в рамках модели двумерной решетки, состоящей из межзеренных джозефсоновских переходов с экспоненциально широким разбросом параметров (рис.2а). В соответствии с этой моделью электрический ток протекает через критическую подсетку с характерной перколяционной длиной L, значительно превышающей размер зерна d. Вследствие этого (а) (б) L Напряжение (мкВ) Рис. 2. Перколяция и эффект Джозефсона в поликристаллических ВТСП пленках: (а) Cхематическое представление протекания тока в двумерной решетке из межзеренных джозефсоновских переходов, где L - характерный перколяционный размер. (б) Вольтамперная характеристика поликристаллическогоYBa2Cu3O7-x мостика с размерами wl =129 мкм2 < L2 = 1515 мкм2 и его отклик V(V) на излучение с частотой f = 78 ГГц. Т = 24 К [A18].
обстоятельства, удельные электрические характеристики поликристаллических мостиков зависят от размеров w,l этих мостиков. Показано, что мостики с размерами < d < w,l < L ведут себя подобно единичному переходу Джозефсона (рис. 2б) несмотря на то, что в мостике находится много межзеренных переходов [A11]-[А15], [A18]. Однако, из-за наличия поликристаллической пленки и большого количества межзеренных переходов в берегах устройства, низкочастотный шум всего устройства, включающего и мостик малых размеров и более широкие берега, может оказаться значительным. На основании этих исследований был предложен новый тип джозефсоновского перехода, у которого берега изготовлены из монокристаллической пленки, а мостик - из пленки, у которой перколяционный размер больше геометрических размеров мостика [A20].
Методом, предложенным и использованным автором ранее при изучении ниобиевых микроконтактов [A6], были изучена джозефсоновская генерация в YBa2Cu3O7-x переходах на искусственно созданных границах зерен, а именно, в бикристаллических переходах и переходах на ступеньке на подложке. На рис. 3а представлены результаты измерений электрических и сигнальных характеристик одного из бикристаллических переходов, приготовленных на подложке из SrTiO3 методом лазерного распыления, при температуре К. Сигнальная характеристика, т.е. зависимость отклика на монохроматическое излучение с частотой 72 ГГц от напряжения V имеет единственный нечетно-симметричный резонанс при напряжениях около 150 мкВ. Вычисленная из экспериментальных данных функция отклика H(V) V(V)аI(V)Vа/Rd(V) хорошо согласуется с расчетной, полученной для резистивной модели с тепловыми шумами [A21]. Ширина динии генерации, определенная из подобных измерений для низкоомных переходов достигала 380 МГц при температуре 78 К. На рис. 3б представлены величины шумовых температур TN, вычисленных из ширин джозефсоновской генерации для физических температур T перехода в диапазоне от 4,5 до 90 К, откуда следует, что для исследовавшихся бикристаллических переходов шумовые температуры близки к температурам Т переходов и понижаются пропорционально ее понижению. Согласие сигнальных характеристик с расчетными из резистивной модели и фундаментальные тепловые ограничения на шумовую температуру делают бикристаллические переходы весьма привлекательными для детекторных применений [A21], [A24], [А28].
Аналогичные измерения, проведенные для переходов на ступеньке подложки показали, что ВАХ и сигнальные характеристики лишь весьма приближенно описываются аналогичными зависимостями из резистивной модели [A22], [A25]. При понижении температуры от азотных до гелиевых в этих переходах существенно возрастаюта низкочастотные флуктуации, ширины линий джозефсоновсой генерации возрастают Ток (мкА), Отклик (пр. ед.) (а) (б) Напряжение (мкВ) Температура (К) Рис. 3. (а): ВАХ (1), Rd(V) (2) и отклик V(V) (3) бикристаллического YBa2Cu3O7-x перехода на излучение с частотой 72 ГГц при Т = 78 К, на вставке - схема бикристаллического перехода из с-ориентированных пленок. (б): Шумовые температуры TN(T) бикристаллических YBa2Cu3O7-x переходов [A21].
пропорционально критическому току и, соответственно, шумовые температуры растут.
Трехмерный характер образования слабых связей и наличие двух последовательных границ у таких переходов может приводить к более неоднородной структуре, которую в работе предложено описывать многоконтактным многоконтурным интерферерометром. А изменения магнитного состояния такого интерферометра может приводить к скачкам в критическом токе перехода и избыточным низкочастотным шумам.
Описанные выше предварительные исследования различных видов переходов позволили выбрать бикристаллические тонкопленочные YBa2Cu3O7-xапереходы как основной тип переходов для детектирования и спектроскопии. Как следует из рис.3б, бикристаллические переходы на начальном этапе их разработки не были свободны от избыточных флуктуаций. Поэтому для создания высококачественного перехода для детектирования и спектроскопии необходимо было оптимизировать все этапы приготовления переходов, что потребовало создания специальных экспериментальных методик и установок.
В завершающем разделе 3.3 сформулированы краткие выводы по главе 3.
В главе 4 описываются экспериментальные методики и установки, разработанные и использованные для приготовления и исследования YBa2Cu3O7-xабикристаллических переходов. Раздел 4.1 посвящен особенностям приготовления бикристаллических YBa2Cu3O7-xапереходов для детектирования и спектроскопии. Отмечаются преимущества приготовления ВТСП пленок с помощью метода, предложенного д-ром У. Поппе из Исследовательского центра г. Юлиха (ФРГ). В методе используется катодное распыление в кислороде высокого давления, что обеспечивало малые энергии атомов, приходящих из мишени на подложку, требовало более высоких (из-за диаграммы состояний ВТСП) температур подложек и, соответственно, более высокое качество эпитаксиальных пленок ВТСП [28].
По мере развития методов приготовления ВТСП пленок с одной стороны и формирования требований к тонкопленочным структурам со стороны джозефсоновского детектирования и спектроскопии, соискателем были выбран тип подложки для ВТСП пленок, методы приготовления тонких пленок и структур на их основе, а также на основе такого выбора самостоятельно проведен поиск оптимальных режимов приготовления джозефсоновских переходов для указанных применений. Вместо обычно используемых подложек из SrTiO3 для приготовления качественных эпитаксиальных YBa2Cu3O7-xапленок были выбраны подложки из NdGaO3, поскольку этот материал и YBa2Cu3O7-x имеют d R (ом) Шумовая температура (К) Ток (мкА), отклик V ( V ) наилучшее соответствие параметров кристаллических решеток. Как и YBa2Cu3O7-x, NdGaOимеет орторомбическую кристаллическую структуру, обладает хорошей механической и термической прочностью, а также химически инертен в условиях осаждения гетероэпитаксиальной YBa2Cu3O7-x пленки [A26], [A29], [A60]. Кроме того, подложки из NdGaO3 имеют более чем на порядок меньшую статическую диэлектрическую проницаемость, чем подложки из SrTiO3. Бикристаллические подложки из (110) NdGaO3, начиная с 1994 года, приготавливались в ИРЭ РАН в лаборатории профессора И.М.
Котелянского и использовались автором данной работы для приготовления YBa2Cu3O7-x переходов [A60].а Непосредственная технологическая работа по получению YBa2Cu3O7-x тонких пленок на подложках из NdGaO3 с использованием установки катодного распыления в кислороде высокого давления проводилась, начиная с 1992 года в рамках соглашения о научном сотрудничестве между ИРЭ РАН и Исследовательским центром г. Юлиха. Нанесение YBa2Cu3O7-x тонких пленок осуществлялось методом катодного распыления стехиометрической мишени диаметром 35 мм в атмосфере чистого кислорода при постоянных напряжениях 200-230 В и при довольно высоких давлениях 2.5-4 мбар. Для предварительной оптимизации качества пленок сначала использовались данные, приведенные в работе [26], более точные параметры нанесения пленок определялись по результатам электрических измерений в диапазоне температур 80 - 300К. Получение оптимальных с-ориентированных YBa2Cu3O7-x пленок на подложках из NdGaOпотребовали коррекций параметров распыления в сторону больших температур подложек по сравнению с данными в работе [26]. Так, например, низкоомные YBa2Cu3O7-x пленок на подложках из NdGaO3 с высокими, до 92 К, значениями критической температуры получались при температурах нагревателя до 930-950C, а расстояния подложка-мишень и давление кислорода выбирались так, чтобы светящаяся область разряда в кислороде была близка, но не касалась, к подложке. Скорости напыления были в диапазоне 40-70 нм/час.
После распыления подложки с пленкой охлаждались до температуры нагревателя в 550C, напускался кислород при атмосферном давлении и после выдержки около получаса подложки охлаждались до комнатной температуры. Такая загрузка кислородом позволяла получать YBa2Cu3O7-x пленки с максимальной критической температурой.
Получение необходимых конфигураций тонких пленок производилось методами ультрафиолетовой фотолитографии с использованием резиста PMMA и жидкостного травления в 0.1% растворе брома в этаноле. После распыления YBa2Cu3O7-x тонких пленок на подложки образцы подвергались ряду технологических операций общим числом около 40, в которых могли чередоваться нагрев, использование различных химикатов, помещение в вакуум, нанесение металлизаций, хранение при комнатной температуре в течение длительного времени. Было обнаружено, что YBa2Cu3O7-x бикристаллические переходы могут несколько увеличивать величины сопротивлений, что может быть связано с потерей кислорода в бикристаллическом шве. Для контролируемого увеличения содержания кислорода в YBa2Cu3O7-x переходах была разработана установка низкотемпературного отжига образцов в атмосфере озона [A71]. С помощью такого отжига можно было существенно понизить сопротивление переходов и приблизить их ВАХ к резистивной модели.
В разделе 4.2 описываются использовавшиеся методы локального контроля качества приготавливаемых YBa2Cu3O7-x пленок и переходах. Детальные исследования наноструктуры изготовленных соискателем YBa2Cu3O7-x пленок и переходов проводилось с помощью просвечивающей электронной микроскопа JEOL 4000 EX сотрудниками Института микроструктурных исследований J.-W. Seo и C.-L. Jia под руководством профессора K. Urban (Исследовательский центр г. Юлиха, ФРГ). Морфология поверхности NdGaO3 подложек, YBa2Cu3O7-x пленок и переходов изучалась соискателем с помощью микроскопа атомных сил.
Раздел 4.3 посвящен разработке метода лазерного зондирования пространственной электрической неоднородности YBa2Cu3O7-x пленок и переходов. Первые исследования электрической неоднородности ВТСП пленок и переходов проводилось ранее в Университете г. Тюбингена с помощью локального нагрева ВТСП образца сканируемым электронным лучом и регистрации электрических сигналов, возникающих на ВТСП образце под действием электронного луча [27]. Однако, при такой методике возможно наведение электростатических зарядов на поверхности таких хорошо изолирующих подложек, как NdGaO3,ачто может приводить к искажением измеряемых распределений электрических характеристик ВТСП пленок, а при разряде этих участков могло приводить к изменению характеристик переходов, вплоть до их разрушения [A43].
Была предложена и реализована установка лазерного зондирования электрических неоднородностей ВТСП пленок и переходов на основе лазерного сканирующего микроскопа, где излучение от аргонового лазера с длиной волны 488 нм и мощностью порядка 10 мВт через систему гальванометрических зеркал, фильтров и объективов фокусировалось на образец [A27], [A33], [A34], [A40]. Обнаружено, что для локального электрического зондирования ВТСП пленок и переходов кроме болометрического отклика при низких температурах можно использовать и термоэлектрический отклик при комнатной температуре.
В прямых экспериментах проведено сравнение основных характеристик методик электронного и лазерного зондирования на одинаковых, приготовленных соискателем YBa2Cu3O7-x бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями с [A43].
Показано, что к преимуществам лазерного зондирования относятся: достижение субмикронного пространственного разрешения при исследовании пространственной неоднородности YBa2Cu3O7-x переходов при комнатной температуре, более низкая энергия облучения, не приводящая к повреждениям образца, большая концентрация энергии луча на самой ВТСП пленке, электрическая нейтральность луча, что означает отсутствие проблем с со сбором заряда и случайными разрядами, возможность поляризационных измерений, связанных с анизотропией ВТСП и подложек, а также, вследствие относительно низкого уровня наводок, возможность повышения чувствительности и скорости измерений.
В разделе 4.4 обсуждается интеграция переходов в криостаты и криоохладители.
Начиная с 1999 года, были разработаны ряд макетов джозефсоновских детекторов и спектрометров, интегрированных в криоохладители, работающие по циклу Стирлинга [A45], [A46], [A82], [A84]. Успешная работа джозефсоновских переходов в качестве детекторов и спектрометров при интеграции с такими криоохладителями была продемонстрирована в диапазоне температур от 32 К до 90 К. Ключевыми моментами для обеспечения работы джозефсоновских переходов в криоохладителях являлись эффективное экранирование переменных магнитных полей компрессоров и стабилизация температуры с помощью внешних термоконтроллеров.
При измерениях электрических и сигнальных характеристик использовались системы задания как тока через переход, так и напряжения на переходе. Для измерения напряжения в широком диапазоне входных напряжений от долей нановольт до 20 мВ использовались усилители, состоявшие из малошумящего криогенного предусилителя с величиной входных шумов до 1,710-10 В/Гц1/2 и основного усилителя при комнатной температуре, с полосой частот от 0 до 10 МГц. Использовавшиеся криогенные предусилители были подобны разработанным ранее для сверхпроводяших квантовых интерференционных датчиков [28].
Предусилители располагались либо на азотных экранах оптических криостатов [А53], либо на том же держателе, что и переходы, в криоохладителях [A82], [A84].
В разделе 4.5 приведены краткие выводы по главе 4.
Глава 5 содержит результаты исследований электрических и структурных характеристик YBa2Cu3O7-x пленок и бикристаллических переходов. В разделе 5.представлены данные для эпитаксиальных YBa2Cu3O7-x пленок. Определены условия (б) (а) Температура (К) Температура (К) Рис. 4. Температурные зависимости удельного сопротивления (Т) (а) и критической плотности тока jc(T) (б) для YBa2Cu3O7-x пленок, напыленных на подложки из NdGaO3 с указанными ориентациями. [A30], [A44], [A47].
приготовления эпитаксиальных YBa2Cu3O7-x пленок, с различными ориентациями оси с, а также анизотропия основных электрических параметров в диапазоне температур от 70 до 3К и ее связь со структурными особенностями пленок [A30], [A31], [A34], [A44], [A47]. Для изготовления таких пленок использовались подложки из NdGaO3 c наклонной ориентацией оси [110] (в орторомбической системе) в диапазоне углов от 0 до 45, чему в псевдокубической кристаллографической системе для NdGaO3 соответствовал спектр ориентаций плоскостей от (001)пк до (101)пк. Температурные зависимости удельного сопротивления (Т) и критического тока jc(T) вдоль наклона оси с пленок приведены на рис.
4. Аналогичные зависимости, измеренные поперек наклона оси с, показали менее значительные изменения. Наибольшие изменения, почти на два порядка, электрических параметров вдоль наклона обнаружены при изменении ориентаций подложек от (001) до (103), что соответствует диапазону углов от 0 до 18, а для больших углов анизотропия пленок даже уменьшалась с увеличением наклона для подложек.
Такие изменения связаны с изменением микроструктуры YBa2Cu3O7-x пленок, напыленных на подложки из NdGaO3, при увеличении угла . Оказалось, что напыленные пленки являются однодоменными с направлением оси с, следующим за наклоном базовой плоскости подложки для малых углов до 18 (плоскости (001), (1011), (105)). При больших углах в 30 для (305) подложки, пленки имели кроме доменов основной ориентации, также и дополнительные включения доменов с ориентацией оси с, повернутой на 90, а при углах в 45 для подложки (101) пленка имела двухдоменную структуру с близкими размерами доменов и взаимноперпедикулярными ориентациями осей с в доменах.
Особым оказался случай YBa2Cu3O7-x пленки, напыленной на (103) NdGaO3 подложку.
Из измерений наноструктуры таких пленок просвечивающей электронной микроскопией получено, что пленка является однодоменной, но с направлением оси с, повернутой на 90 по отношению к наклону подложки. Плоскости a-b в такой пленке расположены под углом в (720.5). Полученная конфигурация соответствует ориентации (101) для YBa2Cu3O7-x пленки и является энергетически более выгодной, чем комплиментарная ориентация (109) [A44].
Такая пленка обладает максимальной электрической анизотропией для исследовавшихся пленок с с(100К)/ab(100К) 100, что лежит между величинами анизотропий с(100К)/a(100К) 63 и с(100К)/b(100К) 120, полученными ранее для бездвойниковых массивных монокристаллов YBa2Cu3O7-x [29], и выше величины с(100К)/ab(100К) 85, полученной позже для YBa2Cu3O7-x пленок с наклонной на 10 осью с [30].
(мкмом см) Удельное сопротивление Однодоменные пленки, с наклонными до 72 осями с, перспективны для ряда применений, например, в качестве базовых электродов для планарных туннельных переходов [A34] или для исследования проявлений собственного эффекта Джозефсона вдоль оси с в тонкопленочных структурах из YBa2Cu3O7-x. Характеристики и опыт их приготовления использовался при разработке бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями с. Условия получения почти а-ориентированных ВТСП пленок, при специальных углах наклона подложек для каждого типа ВТСП, защищены патентами [A47].
Раздел 5.2 посвящен переходам из с-ориентированных YBa2Cu3O7-x пленок.
Бикристаллические переходы из с-ориентированных YBa2Cu3O7-x тонких пленок изготавливались на (110) NdGaO3 бикристаллических подложках. В качестве опорной плоскости у подложек, от которой ведется отсчет равных по величине, но противоположных по знаку, углов разориентации , выбрана плоскость (001) NdGaO3. Для получения качественных бикристаллических границ, величины бикристаллических углов преимущественно выбирались, так, чтобы соприкасающиеся плоскости соответствовали кристаллографическим плоскостям с низкими индексами [A60]. В данной работе использовались (110) NdGaO3 подложки с углами разориентации = 9,5; 10,5; 11,3; 14,0;
18,4; 26,6.
На рис. 5а представлена наноструктура бикристаллической границы в YBa2Cu3O7-x, эпитаксиальной пленке, полученной на бикристаллической подложке из (110) NdGaO3 с углом разориентации 214. Пленка с обеих сторон от границы имеет совершенную кристаллографическую ориентацию и эта кристаллическая структура сохраняется при приближении к границе на атомные расстояния в единицы ангстрем. В наноструктуре бикристаллической границы пленки имеются симметричные фасетки (-14)/(+14), где сходятся пленки, развернутые на -14 и +14 относительно границы. Однако, также на границе наблюдаются ассиметричные фасетки (-28)/(0) или (-45)/(-17), где граница образуется по малоиндексовым плоскостям (100) или (110) с одной или с другой стороны.
Изображение поверхности пленки YBa2Cu3O7-x, полученной на бикристаллической подложке из (110) NdGaO3 с углом разориентации 214, приведено на рис. 5б [A50].
(а) (б) (в) Х (нм) Рис. 5. Наноструктура (а), поверхность (б) и распределение термоЭДС (в), индуцированных лазерным излучением, у с-ориентированной YBa2Cu3O7-x, пленки вблизи бикристаллической границы (х=0) в 214 NdGaO3 подложке. Штриховые линии на рис.5а и рис. 5б показывают реальную бикристаллическую границу в YBa2Cu3O7-x пленке, а на рис.
5в - границы YBa2Cu3O7-x мостика [А39], [А40], [A50], [A52], [А60].
Y (нм) Топография пленки свидетельствует о переходной тенденции от островкового роста к послойному росту пленки. При этом граница между пленками, зародившимися на подложке по разные стороны от бикристаллической границы, не является непосредственной репликой границы в подложке, расположенной вертикально при х=0, а проявляется на рис.5б в виде извилистой линии с переменным контрастом, выделенной штриховой кривой. Это обстоятельство означает, что разориентация подложки определяет лишь усредненную разориентацию с-ориентированных пленок на бикристаллической подложке. Диапазон локальных разориентаций и площадей границы с данной локальной разориентацией для сориентированных пленок зависит от механизма роста пленки, локальных неоднородностей подложки и разориентации подложки. Наличие фасетирования бикристаллической границы с различными, в большинстве своем ассиметричными, разориентациями в реальных переходах существенно усложняет анализ интегральных электрических характеристик и требует проведения локальных измерений.
При рассмотрении этой границы на микромасштабе (рис.5б) доля несимметричных фасеток становится преобладающей, сверхпроводящий транспорт через них более затруднен вследствие особой Дd-waveУ- симметрии параметра порядка в YBa2Cu3O7-x пленке [24]. С этими отклонениями от плоскости у границы пленки связаны и неоднородное распределение электрических параметров вдоль границы [A39]. На рис.5в видно, что пленка в области бикристаллической границы дает значительный двуполярный электрический сигнал под действием лазерного облучения и интенсивность этого сигнала меняется вдоль бикристаллической границы, что отражает пространственную неоднородность электрического транспорта через бикристаллическую границу [А50]. Можно различить локальных максимумов (минимумов) в интенсивности этой двойной линии, соответствующих доминирующим каналам протекания тока через бикристаллическую границу и распределенных по длине с некоторой характерной длиной Lc. Величина Lc составляла 2 мкм для пленок на подложках из NdGaO3 и могла быть до 5 мкм для пленок, проготовленных на подложках из MgO с большими размерами островков роста.
Особенности ВАХ и откликов переходов с w Lc и w > Lc описываются в рамках модели [A21], согласно которой бикристаллический ВТСП переход можно рассматривать как многоконтактный интерферометр, состоящий из параллельно соединенных, узких джозефсоновских контактов с весьма широким распределением критических токов Ic и сопротивлений Rn. Фактически речь идет о частном случае перколяционной картины, рассмотренной в разделе 3.2 при интерпретации электрических и джозефсоновских свойств в поликристаллических ВТСП пленках [A18]. Если ширина перехода w выбрана около характеристической длины Lc в пространственном распределении электрических параметров переходов, то существует большая вероятность, что внутри перехода будет только один доминирующий сверхпроводящий канал тока, и, как следует из приведенных результатов, его ВАХ и отклик хорошо описываются резистивной моделью.
На рис. 6а представлены ВАХ бикристаллического перехода из с-ориентированной YBa2Cu3O7-х пленки на подложке 2x14 (110) NdGaO3 при двух температурах 5 и 78 К.
Ширина перехода составляла величину 2,5 мкм, что близко к величине характеристической длины Lc. ВАХ при температуре 78 К и в диапазоне напряжений от 0 до 6 мВ имеет вид (кривая 2), подобный аналогичной характеристике в резистивной модели. При понижении температуры такое подобие ВАХ сохраняется до температур 30-40 К, а при дальнейшем понижении температуры до 5 К ВАХ (кривая 1) ВАХ бикристаллического перехода обнаруживает отклонения от ВАХ, при низких напряжениях V < IcRn появляется протяженный участок с большим дифференциальным сопротивлением. Последнее обстоятельство вызвано влиянием конечной (порядка 10-14 Ф) емкости перехода и затрудняет использование изготовленных переходов при гелиевых температурах в гильберт- спектроскопии из-за больших величин ширины линии джозефсоновской генерации. Поэтому изготовленные переходы использовались в экспериментах по гильберт-спектроскопии преимущественно в области температур от 88 К до 30 К. При этом величины характерных напряжений у переходов изменялись от 5 мкВ до 2 мВ, а форма ВАХ была близка к ВАХ резистивной модели.
Измеренные отклики V(V) переходов с шириной w Lc имели форму, весьма близкую к форме отклика из резистивной модели с единственным нечетно-симметричным резонансом при напряжении V1 = hf/2e. А отклики V(V) перехода с шириной w, существенно большей Lc, помимо ослабленного основного резонанса при V1 = hf/2e обнаруживали субгармонический резонанс при V1/2 = (1/2)hf/2e [A60]. Использование такого отклика в гильберт-спектроскопии не представляется возможным, поскольку при воздействии излучения с одной частотой мы получим две спектральные компоненты. Кроме того, амплитуды резонансов при V1 и V1/2 для переходов c w>> lc нерегулярным образом зависели от электрической и магнитной предыстории переходов. Такое поведение качественно согласуется с моделью многоконтактного интерферометра для ВТСП переходов [A21]. Если ширина мостика w много больше, чем Lc, то вероятность появления дополнительных каналов в переходе возрастает с повышением ширины и бикристаллический переход ведет себя как многоконтактный интерферометр, у которого статические и динамические характеристики будут существенно отличаться от такого из резистивной модели [31], [32]. В частности, для двухконтактного интерферометра наличие внешнего магнитного потока e=o/2 приводит к разности фаз между переходами, равной , и тогда первые гармоники джозефсоновских колебаний в переходах находятся в противофазе, а вторые гармоники - в фазе относительно друг друга [31]. Результирующим эффектом является подавление первой гармоники колебаний в интерферометре и возрастание второй гармоники. Подобные обстоятельства могут быть ответственными за появление субгармонических резонансов на откликах широких ( w > Lc) ВТСП переходов.
Выбор ширины w переходов около характерной перколяционной Lc давал возможность увеличить количество переходов, близких к резистивной модели, но приводил к уширению разброса электрических параметров переходов. Результаты измерения разброса токов у бикристаллических YBa2Cu3O7-х переходов из с-ориентированных пленок представлены на рис. 6б [A50], [A58]. Образцы представляли собой цепочки из 60-1последовательно соединенных бикристаллических переходов c одинаковой шириной (а) (б) Критический ток (мкА) Рис. 6. (а) - Вольтамперные характеристики бикристаллического YBa2Cu3O7-х перехода с шириной w = 2,5 мкм на подложке 2x14 (110) NdGaO3 при двух температурах: 1- 5 К, 2- К (слева) [A39]. (б) - Распределение N(Ic) критических токов Ic, полученное для цепочки (фото фрагмента на вставке) из 63 2x14 YBa2Cu3O7-х переходов с шириной 2,5 мкм [А58].
c Распределение N ( I ) w = (2.50.5) мкм. При низких температурах через цепочку пропускался ток I и сфокусированный лазерный луч сканировался вдоль цепочки. Вследствие болометрического эффекта напряжение на цепочке сильно изменялось, если луч попадал на переход с критическим током Ic, близким к заданному току I через цепочку. Подобные распределения измерялись для токов различных величин и из них измерялось количество переходов в цепочке, переходящих в резистивное состояние при данной величине тока, а результаты представлялись в виде распределений критических токов по величинам. Такое распределение для цепочки переходов с w=2,5мкм Lc представлено на рис. 6б.
Распределение критических токов N(Ic) хорошо описывалось с помощью гауссова распределения логарифмических значений токов, а именно N(Ic) ~ exp [-(lgIc0-lgIc)2/2], где Ic0 - среднее значение критического тока, а - ширина распределения. Причиной такого распределения является туннельный характер сверхпроводящего транспорта через межзеренные границы. Для границы с определенной разориентацией критическая плотность сверхпроводящего тока jc экспоненциально падает с увеличением толщины t барьера c некоторой характерной толщиной t0. В реальной многофасеточной границе в ВТСП бикристаллических переходах будет существовать статистическое распределение и толщины ti барьера и характерной толщины t0, что и приводит к экспоненциальному разбросу локальных плотностей критических токов.
Распределения, подобные представленному на рис.6б, наблюдались для всех цепочек переходов с углами разориентировок 2 от 210,5 до 226,6 и ширинами от 2,5 до 15 мкм.
Средние плотности jc имеют общую тенденцию уменьшаться экспоненциально с повышением 2 для углов 210,5, 2x11,3 and 218,4. Более высокое значение jc = 2104А/см2 для переходов с 2 = 2x14 может быть объяснено более упорядоченной кристаллографической структурой бикристаллической границы в подложке при таком угле по сравнению со структурой границы при углах в 210,5, 211,3. Практически одинаковые величины jc и получены для переходов с 2 = 226,6 and 218,4. Это связано с тем, что эти углы равноудалены от угла разориентировки в 45, где у асимметричных фасеток 0/45 может наблюдаться минимум критической плотности тока из-за специфичной, Дd-waveФ, симметрии параметра порядка в YBa2Cu3O7-х [24].
Таким образом, для исследования детекторных и спектроскопических применений нами были выбраны бикристаллические переходы из с-ориентированных YBa2Cu3O7-х тонких пленок на подложках из (110) NdGaO3. ВАХ и отклики таких переходов при толщинах пленок 100-400 нм и ширинах, меньших 3 мкм, хорошо описываются резистивной моделью при температурах от 88 К до 30К. Сопротивления Rn таких переходов составляло от 0,5 Ом до 50 Ом, а характерные напряжения достигали 0.3 мВ при Т = 77К и 3 мВ при Т = К. Средние электрические характеристики таких переходов были сравнимы с аналогичными переходами на бикристаллических подложках из (100) SrTiO3 [А32], [A35], используемыми из-за высокой диэлектрической проницаемости только в низкочастотных измерениях магнитных полей.
В разделе 5.3 рассмотрены электрические и структурные свойства переходов из YBa2Cu3O7-x пленок с взаимнонаклоненными осями с. Сначала, в экспериментах с лазерным зондированием было обнаружено, что такие переходы обладают значительно более однородной структурой протекания тока [A40], [А43], а затем, при электрических измерениях, было обнаружено, что характерные напряжения значительно превосходят аналогичные величины у переходов из с-ориентированных пленок [A49], [A56].
Изображения наноструктуры поперечного сечения этих переходов, полученной с помощью электронного просвечивающего микроскопа, топографии поверхности, полученной с помощью микроскопа атомных сил, и распределения термоЭДС, индуцированных лазерным лучом, показаны на рис.7. Как видно из рис.7а, электроды перехода состоят из пленок, у которых оси с наклонены на 12 к бикристаллической границе.
Сами пленки состоят из удлиненных островков роста с размерами вдоль границы порядка (а) (б) (в) Рис. 7. Наноструктура (а), поверхность (б), а также распределение термоЭДС (в), индуцированных лазерным излучением, у YBa2Cu3O7-x бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями с вблизи бикристаллической границы в 212 SrTiOподложке. Штриховые линии на рисунке справа показывают границы YBa2Cu3O7-x мостика. [А40], [А43], [A49], [A56] нескольких микрометров и 200-300 нм в перпендикулярном направлении, которое расположены в виде террас с углом наклона 12 и ступеньками в 5-20 нм (рис.7б). На границе, где соединяются пленки с разными наклонами оси с, наблюдается V-образное понижение профиля пленки глубиной до 50 нм. Механизм образования таких пленок демонстрирует сильную тенденцию к послойному росту, однако ступеньки между террасами составляют около десятка размеров элементарной ячейки YBa2Cu3O7-х в с-направлении.
Максимальная ширина меандрирования границы у этих переходов было около 20 нм, что на порядок ниже аналогичной величины у переходов из с-ориентированных пленок.
Улучшенная структура переходов нашла свое отражение в однородности электрического транспорта. На рис. 7в показано, что такие переходы обладают значительно более высокой однородностью электрических характеристик, по сравнению с переходами из сориентированых пленок ( см. рис.5в).
Благодаря улучшенному кристаллографическому упорядочению пространственное токовое распределение переходов с взаимнонаклоненными осями с оказывается более однородным, а их величины IcRn значительно выше. На рис. 8а представлены вольтамперные характеристики одного из таких переходов на подложке 212 (001) SrTiO3. Такие переходы, приготовленные при использовании параметров распыления, оптимизированных для получения высококачественных пленок (рис. 4) и бикристаллических переходов из сориентированных пленок (рис. 6), обладают наибольшими величинами IcRn(4 К) до 8,3 мВ и IcRn(77К) до 1,2 мВ, а также наименьшим (около 10 %) разбросом этой величины и высокой воспроизводимостью величин RnA с отклонениями от средних, определяемыми в основном разбросом и ошибками ( 0,5 мкм) оптических измерений ширин переходов [A49]. В отличие от переходов с малыми ширинами из с-ориентированных пленок, где разбросы электрических параметров достигают десятков процентов (рис. 6), переходы с взамнонаклоненными осями с показывают существенно более высокую воспроизводимость электрических параметров. Все переходы с ширинами 2-4 мкм имели ВАХ с небольшим гистерезисом при 4,2 К и без гистерезиса при 77 К. Плотности критического тока jc изменялась от (1,52,5)106 А/см2 при 4,2К до (1,52,5)105 А/см2 при 4,2 К при 77 К, что на порядок превосходит аналогичные характеристики у с-ориентированных переходов.
Вследствие высокого упорядочения и однофасеточного характера бикристаллической границы, а также особенностей своей симметрии [24], параметр порядка не должен так существенно подавляться в этих переходах по сравнению с традиционными переходами.
(б) (а) Напряжение (мВ) Напряжение (мВ) Рис. 8. ВАХ бикристаллических YBa2Cu3O7-x переходов с взаимнонаклоненными осями с при Т = 4,2 К и 77,3 К на подложках : (а) - 2х12 SrTiO3 [A49] и (б) -2х10,5 NdGaO3 [A61].
Для использования в детектировании и спектроскопии, необходимо было перенести методику приготовления YBa2Cu3O7-x бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями с на подложки из NdGaO3, обладающие более, чем на порядок меньшей диэлектрической проницаемостью. При этом, использовался опыт приготовления качественных пленок с наклонными осями с, разработанными ранее (рис. 4) [A30], [A44], [A47]. На рис. 8б представлены ВАХ перехода на подложке из NdGaO3 с углом 2 = 210,5.
Характерное напряжение IcRn изменялось от 0,9 мВ при 77К до 7,3 мВ при 4,2К [A61]. ВАХ при Т = 77 К близка к резистивной модели при напряжениях до 5 - 6 мВ. Гистерезисное поведение ВАХ при 4,2 К при низких напряжениях может быть связано с захватом и освобождением магнитного потока в дефектных областях перехода. Однородность бикристаллического шва у использовавшихся NdGaO3 подложек оказалась несколько хуже, чем у SrTiO3 подложек, из-за большего количества газовых включений субмикронных размеров. Однако, основные электрические характеристики таких переходов на подложках NdGaO3 оказались практически такими же, как и для переходов на подложках SrTiO3 [A61].
Сравнение средних электрических характеристик для переходов на NdGaO3 подложках, как для обычных бикристаллических переходов из с-ориентированных пленок, так и для пленок с взаимнонаклоненными осями с, показало, что при всех углах разориентировок более совершенная кристаллографическая структура бикристаллической границы у переходов с наклонными осями с отражается в увеличении плотности критического тока, уменьшении удельного сопротивления границы и в троекратном увеличении характерного напряжения IcRn [A61]. Таким образом, приготовленные переходы находятся гораздо ближе к лидеальному джозефсоновскому переходу у которого IcRn может быть около значения /2е следующего из теории Амбегаокара-Баратова [27].
После первых пионерских работ [А40], [А43], [A49], [A56], [А61], появилось ряд работ, в которых реализованы ВТСП бикристаллические переходы с взаимнонаклоненными осями с на подложках из Al2O3 [33], с использованием нового ВТСП. материала (Hg,Re)Ba2CaCu2Oy с большей, чем у YBa2Cu3O7-x, критической температурой [34], с новой ассиметричной конфигурацией наклонов осей с [35], и также фактически повторена наша работа [A49] с использованием таких же подложек из SrTiO3 и той же методики и даже подобной же распылительной установки [36]. Однако, только в работе [36] при полном копировании наших условий приготовления удалось достигнуть близких значений IcRn.
Раздел 5.4 посвящен изучению влияния низкотемпературного отжига бикристаллических YBa2Cu3O7-x переходов в кислороде на их электрические и шумовые характеристики. ВАХ бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями с с точностью в несколько процентов соответствуют резистивной модели в области температур Ток (мА) Ток (мА) выше 50 К, где выполняется условие Ic(T)Rn kT/2e. При этом сами пленки были загружены кислородом оптимально при изготовлении, когда пленки выдерживались при температуре 550 при 1 Бар в молекулярном кислороде. Дальнейшее улучшение соответствия переходов резистивной модели при Т 50 К было достигнуто, когда переходы были подвергнуты низкотемпературному отжигу в атмосфере атомарного кислорода [А71], [А73], [А77]. При этом критическая температура пленок не изменялась, а транспортные и шумовые характеристики переходов изменялись существенно.
На рис. 9а показаны ВАХ бикристаллического 214 YBa2Cu3O7- x перехода с взаимнонаклоненными осями с, подвергнутого различным режимам обработки в атмосфере кислорода. В отсутствии обработки переход имел видимые отклонения от ВАХ, рассчитанной согласно резистивной модели. Тот же самый переход, подвергнутый отжигу в атмосфере смеси озон-кислород в течение получаса и протестированный сразу же после отжига, имел вдвое меньшее сопротивление Rn, тогда как характерное напряжение IcRn увеличилось только на несколько процентов. Его ВАХ (сплошная линия на рис. 9а) с точностью до 0,4% процента соответствует ВАХ, рассчитанной из резистивной модели.
Сравнение с расчетными ВАХ с учетом конечной емкости показало, что емкость в таких переходах после отжига в кислороде не превосходит 210-15 Ф. Тот же самый переход, после хранения в атмосфере молекулярного кислорода в течение семи дней при комнатной температуре, показал 10% увеличение нормального сопротивления Rn и заметное отклонение экспериментальной ВАХ (пунктирная линия на рис. 9а) от рассчитанной согласно резистивной модели. Эти малые изменения ВАХ можно рассматривать как результат шунтирования джозефсоновских колебаний неким дополнительным адмиттансом, который, в свою очередь, модифицируется различными режимами обработки в кислороде. В этом случае мы можем воспользоваться джозефсоновской адмиттансной спектроскопии, чтобы получить спектральное распределение потерь во внешнем адмиттансе, исходя из экспериментальных данных изменения ВАХ. Все три частотные зависимости ReYe(f) имели максимум на частотах 1,5 ТГц (V 3мВ). Максимальная величина ReYe уменьшается от 0.076 Ом-1 для перехода в отсутствие обработки до 0.009 Ом-1 для перехода, подвергнутого отжигу в атмосфере озона. Хранение при комнатной температуре в атмосфере молекулярного кислорода приводит к незначительному увеличению Rn (примерно на 13%) и заметному увеличению величины шунтирующего адмиттанса (от 0.009 Ом-1 до 0.05 Ом-1).
(б) (а) Рис. 9. ВАХ (а) и спектральная плотность НЧ шума Sv(V,3kHz) (б) одного и того же бикристаллического YBa2Cu3O7-x перехода после приготовления (штриховая линия, Rn = 4.7 Ом, IcRn = 2.4 мВ), после отжига в озоне (сплошная линия, Rn = 2.3 Ом, IcRn = 2.45 мВ) и после хранения при комнатной температуре в кислороде (пунктирная линия, Rn = 2.6 Ом, IcRn = 2.45 мВ). T = 55 K [A73], [A77].
Были подробно исследованы низкочастотные шумовые свойства бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями с, в том числе и потому, что данные о шумах могут дать дополнительную информацию о переносе электрического заряда в области слабой связи [А64], [А73]. Появление низкочастотного шумового напряжения в YBa2Cu3O7-x переходах с гранулированной границей обычно связывается с флуктуациями критического тока Ic и нормального сопротивления Rn [37]. Мы записали спектральную плотность интенсивности шумового напряжения в виде [А73]:
Sv(f,I,V)=[Ic2Rd/I]2Si(f) + V2Sr(f) - 2k(f)Vc2[Sr(f) Si(f)]1/2, (1) где Rd=dV/dI - дифференциальное сопротивление, Sr(f)=SRn(f)/Rn2 и Si(f)=SIc(f)/Ic2 - нормированные спектральные плотности флуктуаций Rn нормального сопротивления и флуктуаций Ic критического тока соответственно, k(f)=|ir(f)|cosir(f) есть коэффициент корреляции между флуктуациями Rn и Ic, ir(f) есть фазовый угол кросс-спектральной плотности Sir, ir2=| Sir(f)|2/[Si(f) Sr(f)] [38].
Экспериментальные данные показаны на рис. 9б, где представлены зависимости нормированных спектральных плотностей флуктуаций Sv/Ic2Rn2 на частоте 3 кГц от нормированного напряжения V/IcRn для переходов в отсутствие обработки (светлые кружки), после отжига в атмосфере озона (темные квадраты) и после хранения в атмосфере молекулярного кислорода (светлые квадраты). Результаты подгонки с помощью формулы (1) показаны на рис. 9б линиями. Видно, что экспериментальные зависимости для переходов в отсутствие обработки, после отжига и после хранения хорошо соответствуют результатам расчета согласно формуле (1) при соответствующем наборе подгоночных параметров Sr, Si и k. Отжиг в атмосфере атомарного кислорода приводит к трехкратному уменьшению величины Sr и шестикратному уменьшению величины Si. Хранение при комнатной температуре в атмосфере молекулярного кислорода вызывает относительно слабое, в пределах 25-60% увеличение этих параметров.
Для серии YBa2Cu3O7-x бикристаллических переходов с наклонными (214) осями с было получено [A73], что после отжига переходов в озоне величины отношений p = (Si / Sr)1/2 c точностью в 10% были равны 1, а коэффициент корреляции k с близкой точностью оказался равен минус 1. Достигнутые значения p = (Si / Sr)1/2 = 1 и k = -1 для наших переходов существенно отличаются от значений для тех же величин, полученных другими авторами для переходов на основе с-ориентированных пленок [39], где были получены величины p = (Si / Sr)1/2 = (23,8) и k = -(0,250,5). Таким образом, полученные нами данные впервые демонстрируют полную антикорреляцию между флуктуациями критического тока и сопротивления в ВТСП переходах, а достигнутые значения p = (Si /Sr)1/2 = 1 указывают, что и квазичастичный ток и сверхток туннелируют через один и тот же барьер.
После рассмотрения различных моделей переноса электрического заряда через гранулированную границу в бикристаллических высокотемпературных сверхпроводниках был сделан вывод о том, что наши экспериментальные результаты лучше соответствуют модели, согласно которой квазичастицы и куперовские пары туннелируют через одни и те же места границы, т.е. через одни и те же места энергетического барьера, возникающего из-за изгиба зон сверхпроводника в области бикристаллической границы [24]. Согласно этой модели и ее детализации в [40], туннельный барьер рассматривается как следствие образования трех последовательных слоев: структурно-деформированной границы посередине и двух прилегающих по обе стороны от границы слоев с обедненным зарядом структурно-недеформированного материала [24], [40]. В рамках этой модели низкочастотный шум напряжения можно объяснить флуктуациями электрического заряда за счет присутствия ловушек в области структурно-деформированной границы, так же, как эти явления объясняются в полупроводниках. Анализируя экспериментальные данные можно видеть, что модификации токового транспорта, дополнительных потерь и уровня шума, вызываемые действием кислорода и старением, проистекают с различной интенсивностью.
Исходя из данных по хранению переходов при комнатной температуре, наибольшее относительное изменение происходит у величины адмиттанса потерь Ye, а наименьшее относительное изменение - у величины Rn. Рассматривая в качестве первопричины всех модификаций диффузию кислорода в область границы зерен и в пленку YBa2Cu3O7-x можно предположить, что наибольшая интенсивность поглощения кислорода связана с наиболее возмущенными позициями в межзеренной границы YBa2Cu3O7-x, сосредоточенными в области структурного барьера. Наименьшая интенсивность поглощения кислорода относится к YBa2Cu3O7-x пленочным берегам джозефсоновского перехода, где области обедненного заряда формируют энергетический барьер. Таким образом, присутствие внешнего шунта с адмиттансом Ye может быть связано с наличием потерь в структурно-деформированном барьере переходов на межзеренных границах из YBa2Cu3O7-x пленок с взаимнонаклоненными осями с.
При низких температурах, когда выполняется условие Ic(T)Rn >> kT/2e, отклонения вольтамперных характеристик YBa2Cu3O7-x бикристаллических джозефсоновских переходов с взаимнонаклоненными осями с от рассчитанных согласно резистивной модели становятся более заметными. Эти отклонения могут быть обусловлены взаимодействием джозефсоновских колебаний с частотно-зависимыми проявлениями окружающей переход среды, такими как резонансные моды в подложке, антенные резонансы в подводящих электродах, фононные моды в подложке и в YBa2Cu3O7-x пленочных берегах перехода.
Весьма воспроизводимыми и сильно выраженными оказались особенности на ВАХ, связанные с оптическими фононными модами в YBa2Cu3O7-x [A61], [A75], [A79], [A81]. На рис.10 показана тонкая структура вольтамперных характеристик одного джозефсоновского перехода с взаимнонаклоненными осями с, которую удалось наблюдать, измеряя зависимость дифференциальной проводимости dI/dV от напряжения V. Нижняя кривая получена до низкотемпературного отжига в озоне, а верхняя - после. Справа приведены фононные моды, полученные с помощью расчетов динамики решетки в YBa2Cu3O7 [41], и указаны положения их частот на шкале джозефсоновских напряжений. Отжиг в озоне приводит не только к повышению проводимости перехода, но и к изменению эффективности проявления особенностей. Наиболее сильно особенности dI/dV в обоих случаях проявляются при напряжении V9.5 мВ, что соответствует джозефсоновской частоте около 4.6 ТГц и согласуется с частотой 152,5 см-1 наиболее сильно выраженной оптической фононной моды YBa2Cu3O7-x, которая наблюдается в спектрах отражения, когда поляризация электромагнитной волны параллельна [001]-оси YBa2Cu3O7-x [42]. Эта фононная мода имеет расчетную частоту 151 см-1 и представлена справа вверху. С близкой частотой 153 см-имеется в расчетах и мода с ортогональной поляризацией вдоль плоскостей a-b, она представлена вверху слева. Видно из экспериментальных данных, что особенность при 9,мВ увеличивается по амплитуде при загрузке кислородом.
На зависимостях dI/dV от напряжения V имеются также более низкочастотные особенности при V 7.3 мВ ( f 118 cм-1 ) и V 5.5 мВ ( f 89 cм-1), которые уменьшаются по амплитуде при увеличении загрузки кислородом. Особенность при 7,3 мВ хорошо согласуется с частотой 115 см-1 расчетной фононной моды, поляризованной вдоль a-b плоскости, что и показано стрелкой на рисунке. Особенность при 5.5 мВ близка к частоте см-1 для самой низкочастотной фононной моды, поляризованной вдоль оси с, и ее положение на шкале напряжений показана стрелкой. Интенсивность этих проявлений заметно уступает особенности, наблюдаемой при напряжении 9.5 мВ и соответствующей частоте 4.6 ТГц.
Особенность при напряжении V 9.5 мВ может рассматриваться как результат шунтирования джозефсоновских колебаний большой динамической проводимостью YBa2Cu3O7- x электродов на частотах, близких к фононной частоте. В рамках адмиттансной спектроскопии эта особенность рассматривается как влияния потерь при этой частоте на ВАХ перехода и при наблюдаемом значительном влиянии на ВАХ следует ожидать и Напряжение (мВ) Рис. 10. Зависимости дифференциальной проводимости dI/dV от напряжения для YBa2Cu3O7-x перехода шириной 1 мкм с IcRn = 6 мВ при температуре 5 К перед отжигом в озоне (нижняя кривая) и после него (верхняя) [A79]. В правой части приведены 4 моды оптических фононов, полученные из расчета динамики решетки в YBa2Cu3O7 [41] и стрелками обозначены положения их частот на шкале напряжений перехода.
существенного ослабления джозефсоновских колебаний при приближении их частот к фоннонных частотам в электродах.
В случае искусственно созданных бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями с, джозефсоновские колебания в бикристаллическом барьере имеют направление электрического поля под малыми углами = 1014 относительно плоскостей a-b, и соответственно имеют компоненты как вдоль этой плоскоcти, так и в перпендикулярном направлении, вдоль оси с. Поэтому в нашем случае, в отличие от работы [43], возможно возбуждение как продольных, так и поперечных оптических фононных мод, которые могут быть поляризованы и вдоль оси с и вдоль плоскостей a-b.
Таким образом, было обнаружено, что при низких температурах взаимодействие джозефсоновского излучения с активными фононными модами инфракрасного диапазона в YBa2Cu3O7-x отражается на вольтамперных характеристиках бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями с. Джозефсоновское туннелирование в таких переходах может быть использовано для развития терагерцовой адмиттансной спектроскопии низкоэнергетических возбуждений в ВТСП материалах и окружении переходов.
В разделе 5.6 приведены выводы по главе 5.
Глава 6 посвящена квадратичному детектированию электромагнитного излучения ВТСП переходами. В разделе 6.1 приводится методика оценки джозефсоновских свойств переходов, использующая аналитические свойства квадратичного отклика I(V) джозефсоновского перехода на слабое монохроматическое излучение различных частот f, и описывается процедура самокалибровки [A6], [A46], [A57], согласно которой экспериментальный отклик I(V) на электромагнитное излучение с частотой f нормировался экспериментальный отклик I(V) на электромагнитное излучение с частотой f нормировался на изменение критического тока Ic перехода, вызванное тем же излучением.
на изменение критического тока Ic перехода, вызванное тем же излучением.
Раздел 6.2 содержит результаты исследования логпериодической антенны, Раздел 6.2 содержит результаты исследования логпериодической антенны, использовавшейся для согласования приготовленных переходов с электромагнитным использовавшейся для согласования приготовленных переходов с электромагнитным излучением. После характеризации структурных и электрических свойств ВТСП переходы излучением. После характеризации структурных и электрических свойств ВТСП переходы исследовались в качестве детекторов электромагнитного излучения в широкой полосе частот исследовались в качестве детекторов электромагнитного излучения в широкой полосе частот от единиц ГГц до 6 ТГц. Для согласования переходов с электромагнитным излучением в от единиц ГГц до 6 ТГц. Для согласования переходов с электромагнитным излучением в таком широком диапазоне была использована логпериодическая антенна с плавным таком широком диапазоне была использована логпериодическая антенна с плавным синусоидальным профилем [44], [A41], [A42]. Соответствующая фотография, выполненная в синусоидальным профилем [44], [A41], [A42]. Соответствующая фотография, выполненная в отраженном поляризованном свете, показана на рис. 11. В центре антенны размещен отраженном поляризованном свете, показана на рис. 11. В центре антенны размещен YBa2Cu3O7-x пленочный мостик с шириной 2 мкм, пересекающий бикристаллическую YBa2Cu3O7-x пленочный мостик с шириной 2 мкм, пересекающий бикристаллическую границу NdGaO3 подложки, расположенную на фотографии в вертикальном направлении и границу NdGaO3 подложки, расположенную на фотографии в вертикальном направлении и видную как Рис. 11. Логпериодическая Ag/YBa2Cu3O7-x антенна, интегрированная с видную как Рис. 11. Логпериодическая Ag/YBa2Cu3O7-x антенна, интегрированная с YBa2Cu3O7-x мостиком, пересекающим бикристаллическую границу NdGaO3 подложки YBa2Cu3O7-x мостиком, пересекающим бикристаллическую границу NdGaO3 подложки [A41], [A42].граница между двумя частями подложки с отличаюшимся поляризационным [A41], [A42].граница между двумя частями подложки с отличаюшимся поляризационным контрастом. Антенна выполнена из Ag тонкой пленки, нанесенной на YBa2Cu3O7-x пленку.
контрастом. Антенна выполнена из Ag тонкой пленки, нанесенной на YBa2Cu3O7-x пленку.
Рисунок антенны имеет по 25 вибраторов синусоидальной формы с каждой стороны Рисунок антенны имеет по 25 вибраторов синусоидальной формы с каждой стороны плеча. Её логпериодическая геометрия определяется соотношением между радиусами Ri, плеча. Её логпериодическая геометрия определяется соотношением между радиусами Ri, соответствуюшими положениям вибраторов: Rn+1/Rn = , где для данной антенны =1.25, а соответствуюшими положениям вибраторов: Rn+1/Rn = , где для данной антенны =1.25, а максимальный и минимальный радиусы Rмакс=1000 м и R0=5 м. Углы 1,2, определяющие максимальный и минимальный радиусы Rмакс=1000 м и R0=5 м. Углы 1,2, определяющие отдельные вибраторы с каждой из сторон антенны описываются соотношениями 1 = 01 + отдельные вибраторы с каждой из сторон антенны описываются соотношениями 1 = 01 + aSin[log(R/R0)] и 2 = 02 + a Sin[log(r/r0)], где r0 = R01/2, a, , RaSin[log(R/R0)] и 2 = 02 + a Sin[log(r/r0)], где r0 = R01/2, a, , - параметры, задающие геометрию антенны. При работе на подложке из NdGaO3 с эффективной диэлектрической проницаемостью = 21 антенна должна была работать, согласно расчетам, в диапазоне частот от 25 ГГц до 7 ТГц, с характерным активным сопротивлением ReZ = 60/[(+1)/2]1/2 = 57 Ом.
Характеристики антенны, изготовленной из YBa2Cu3O7-x, были исследованы с помощью джозефсоновской адмиттансной спектроскопии [A83]. ВАХ и зависимость дифференциального сопротивления Rd(V) YBa2Cu3O7-x бикристаллического перехода из сориентированных пленок при температуре 4,5 К представлена на рис. 12а. Действительная часть адмиттанса ReY(f) антенны с джозефсоновским переходом (рис. 12б, нижняя кривая) была получена из данных измерений ВАХ при T = 4.K. Мы предполагаем, что основной вклад в нее вносят потери в материале антенны и в области слабой связи, которые приводят к медленно меняющейся зависимости на масштабе частот 100 ГГц [A83].
На фоне медленно меняющейся с частотой компоненты на данной кривой также наблюдается быстро осциллирующая составляющая с существенно меньшей амплитудой. Для ее исследования использовались данные измерений Rd(V) [A83]. На верхней кривой рис. 11б приведена быстро меняющаяся часть Re[Y(f) - ]. В связи с тем, что измерения проводились при конечной температуре, в Y наряду с медленной составляющей адмиттанса включена погрешность, связанная с конечностью Рис. 11. Логпериодическая нижнего предела интегрирования дифференциального Ag/YBa2Cu3O7-x антенна, сопротивления. Геометрическая форма антенны интегрированная с YBa2Cu3O7-x обеспечивает периодическую зависимость всех мостиком, пересекающим характеристик антенны, в том числе и ReY(f) от бикристаллическую границу логарифма частоты f. Пиковые значения NdGaO3 подложки [A41], [A42].
дложки [A41], [A42].
100 200 300 400 500 600 7x10-2 17 1.0 x10-(а) (б) 0.0.0.11 0.9 0.--0.7 --0.5 --0.--0.0 -1 -1. 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 7-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.Напряжение (мВ) Частота f (ГГц) Напряжение (мВ) Частота (ГГц) Рис. 12. ВАХ и зависимость дифференциального сопротивления Rd(V) джозефсоновского перехода от напряжения при температуре T = 4.5 K (а). Частотная зависимость действительной части адмиттанса логпериодической YBa2Cu3O7-x антенны, полученная из данных на рис. 11а с помощью джозефсоновской адмиттансной спектроскопии (б) [A83].
действительной части адмиттанса соответствуют максимумам мощности излучения, которые имеют место при резонансных частотах групп соседних диполей, длина которых приблизительно равна длины волны.
При частотах выше 150 ГГц экспериментальная зависимость резонансной частоты от номера резонанса с высокой точностью аппроксимируется прямой с параметром скейлинга =1.240.01, что совпадает с соответствующим геометрическим параметром антенны. В области высоких частот наблюдается спад высоты резонансных пиков при частотах выше 350 ГГц при сохранении логопериодической зависимости от частоты. Его можно объяснить ростом электромагнитных потерь в материале антенны и в области бикристаллической границы, что приводит к уменьшению амплитуды резонансов [A87].
Таким образом, продемонстрировано еще одно применение джозефсоновской адмиттансной спектроскопии для исследования спектральных свойств широкополосной логопериодической антенны в диапазоне частот 50700 ГГц. Для исследований высокочастотных свойств переходов мы использовали широполосный характер такой антенны, улучшая его на высоких частотах за счет покрытия пленками серебра или золота, При этом нам удавалось исследовать отклики переходов до 6 ТГц. Большинство наших переходов имели сопротивления значительно менее десятков Ом и согласование их с антенной было далеко от оптимального. Это обстоятельство помогало при физических исследованиях процессов детектирования переходами, когда переход можно было считать автономным и слабо взаимодействующим с внешними электродинамическими системами.
Раздел 6.3 посвящен результатам исследования нестационарного эффекта Джозефсона в бикристаллических ВТСП переходах. Спектральная область квадратичного частотно-селективного детектирования и, соответственно, гильберт-спектроскопии определяется частотным диапазоном перестройки джозефсоновской генерации. Для измерений спектральной области нестационарного эффекта Джозефсона, были измерены отклики I(V) джозефсоновских переходов на монохроматические сигналы с частотами от ГГц до 6 ТГц [A45], [А46], [А52], [А53], [А57]. Была использована процедура самокалибровки [A6], [A46] и был рассчитан нормированный отклик I(V)/Ic, в котором эффекты согласования учитываются в нормировке на Ic [A46].
На рис.13 показаны отклики двух YBa2Cu3O7- x бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями с на воздействие монохроматических сигналов в частотном диапазоне f от 17 ГГц до 4.2 ТГц. Отклики демонстрируют нечетно-симметричные --Re [ Y(f)-Y ] (Ом ) Ток (мА) Ток (мА) Re Y(f) (Ом) Дифференциальное сопротивление (Ом) ~ резонансы при напряжениях V=hf/2e благодаря эффекту затягивания частоты джозефсоновской генерации внешним излучением. При каждой температуре измерений в интервале между 30 и 85 К селективные отклики наблюдались в частотной полосе, соответствующей по крайней мере одной декаде. Центральная частота этой полосы изменялась в соответствии с характерной частотой перехода fc=(2e/h)IcRn, так что полная полоса селективного детектирования одного джозефсоновского перехода при двух различных температурах могла достигать двух порядков изменения частоты воздействующего сигнала.
Рис. 13. Нормированные отклики I(V)/Ic для двух бикристаллических джозефсоновских переходов из с-ориентированных YBa2Cu3O7-x пленок с Rn = 0.5 Ом (слева) и Rn = 7 (справа) на монохроматическое излучение с частотами от 17 ГГц до 4.25 TГц, измеренные для двух температур 85 K ( слева) и 34 K (справа). [A48], [A53], [A60].
Низкочастотная граница проявления резонансов в откликах I(V)/Ic, подобных показанным на рис.13, соответствует рассчитанной согласно резистивной модели. Ее возникновение есть результат возрастания при малых напряжениях смещения ширины линии джозефсоновской генерации и соответствующее уменьшение резонансной амплитуды.
Высокочастотный спад резонансного отклика джозефсоновского перехода при воздействии монохроматического излучения может объясняться уменьшением амплитуды джозефсоновских колебаний из-за джоулева нагрева и емкостного шунтирования перехода.
Нормированные отклики I(V)/Ic низкоомного YBa2Cu3O7-x джозефсоновского перехода с взаимнонаклоненными осями с при воздействии терагерцового лазерного излучения приведены на рис. 14. Несмотря на то, что величины характерного напряжения IcRn достаточно высоки, амплитуды джозефсоновских колебаний заметно уменьшаются в терагерцовой области. Тем не менее нам удалось зафиксировать отклик на лазерное излучение с частотой 5.25 ТГц (см. вставку к рис.14), которая превышает частоту возбуждения наиболее интенсивных оптических фононов инфракрасного диапазона в YBa2Cu3O7-x. Одним из результатов этих измерений является констатация того факта, что нестационарный эффект Джозефсона присутствует в той частотной области, где происходит радикальное изменение динамической проводимости (f) YBa2Cu3O7-x ([42]). Резонансные амплитуды нормированного отклика I(V)/Ic при напряжениях V=hf/2e есть результат взаимодействия внешнего сигнала с частотой f с первой гармоникой джозефсоновских колебаний с частотой fj=2eV/h. Отображение интенсивностей резонансных амплитуд Imax/Ic как функции частоты f и параметров переходов дает нам информацию о спектральной области проявления нестационарного эффекта Джозефсона. Критерием, Рис. 14. Нормированные отклики Рис. 15. Распределение максимальных нормироI(V)/Ic для двух YBa2Cu3O7-x ванных откликов Imax/c (fj, Rn) для YBa2Cu3O7-x бикристаллических переходов с Rn= 6 бикристаллических переходов на монохроматиОм, IcRn= 4.8 мВ при 30K и Rn = 1 Ом, ческое излучение. Темные квадраты - Imax/c >1, IcRn = 6.0 при 10K (вставка).
светлые квадраты - Imax/c 1. T = (373) K.
определяющим границы его проявления для исследованных переходов, было выбрано условие Imax/Ic>1. Результаты отображения интенсивности нестационарного эффекта Джозефсона в плоскости частота-сопротивление для с-ориентированных (черные квадраты) и с взаимнонаклоненными осями с (прозрачные квадраты) YBa2Cu3O7-x бикристаллических джозефсоновских переходов показаны на рис. 15. Низкочастотная граница fl(Rn) спектральной области проявления нестационарного эффекта Джозефсона оказывается пропорциональной Rn1/3 (пунктирная линия fl), в соответствии с оценками fl=(3fofc2/2)1/3, полученными из соотношения для f(fl)= fl [A57]. Высокочастотная граница fh(Rn) практически не зависит от величины Rn, возможно, из-за того, что, помимо джоулева нагрева и емкостного шунтирования подавление нестационарного эффекта Джозефсона в высокочастотной области обусловлено дополнительным частотно-селективным механизмом возбуждения. Таким вероятным механизмом может быть взаимодействие джозефсоновских колебаний с интенсивной оптической фононной модой в YBa2Cu3O7-x электродах на частоте 4.6 ТГц [42] и как уже обсуждалось в главе 4.4 данной работы.
В разделе 6.4 представлены результаты исследования формы линии джозефсоновской генерация, которая определяет инструментальные функции джозефсоновских спектроскопических методов. На рис. 16а и 16б, соответственно, показаны ВАХ типичного YBa2Cu3O7-x джозефсоновского перехода при 34 К и его отклик I(V) на излучение с частотой 3.1 ТГц. В области напряжений |V| 8.5 мВ формы вольтамперной характеристики и отклика I(V) очень близки к предсказанным согласно резистивной модели. Форма отклика I имеет форму очень резкого нечетно-симметричного резонанса в окрестности напряжения V = hf/2e = 6.42 мВ. На рис.16в показана зависимость от напряжения V функции отклика H(V) I(V)I(V)V. Результат гильберт-преобразования функции отклика показан на рис.16г [A46]. В соответствии с процедурой измерений и обработки данных спектр, приведенный на рис. 16г, есть инструментальная функция спектрометра. Этот спектр также хорошо описывается лоренцовой кривой, а ширина инструментальной функции, или ширина линии джозефсоновской генерации, составляла 3,9 ГГц. Исходя из простых физических представлений, измеренная инструментальная функция является спектром собственных джозефсоновских колебаний при напряжении V = hf/2e = 6,42 мВ, уширенным флуктуациями напряжения. Полученная величина уширения в 3,9 ГГц приблизительно вдвое больше соответствующей величины для (а) (в) ширины линии генерации, определяемой только тепловыми флуктуациями (см. уравнение (6)), из-за выполнения в эксперименте условия eV > kT и вклада неравновесных флуктуаций [A39], [A46].
Меньшие абсолютные значения величины ширины линии (б) (г) генерации до 280 МГц были достигнуты соискателем еще на 3,9 ГГц первых этапах использования ВТСП джозефсоновских переходов для гильбертспектроскопии [A37]. Таким образом, можно полагать, что относительная разрешающая способность спектроскопических методов, основанных на Рис. 16. (a) - ВАХ бикристаллического YBa2Cu3O7-x использовании джозефсоновских перехода при 34 K. (б) - Отклик I(V) перехода на ВТСП переходов, может лазерное излучение с частотой 3,106 TГц. (в) - составлять величину порядка 10-Функция отклика H(V) (V)I(V)V. (г) - в терагерцовой области частот.
Восстановленный спектр излучения [A46].
Раздел 6.5 посвящен исследованиям динамического диапазона по мощности у детекторов на основе разработанных ВТСП переходов. Динамический диапазон по мощности квадратичного джозефсоновского детектора определяет динамическую область сигналов гильбертспектроскопии [A51], [A52], [A59], [A65], [A66], [A66], [A72], [A86]. Эта динамическая область детектора определяется соотношением Ps/Po, где Ps - уровень мощности, при которой детекторный отклик отклоняется от линейного закона на заранее оговариваемую величину (обычным критерием является отклонение вниз на 1 или 3дБ), а Po = NEP(F)1/2 - минимальная обнаружимая мощность, которая равна произведению мощности, эквивалентной шуму (Noise Equivalent Power - NEP, измеряется в единицах Вт/Гц1/2) и ширины частотной полосы F детекторной системы.
Типичные результаты измерений динамического диапазона для перехода с Rn = 1,2 Ом и IcRn = 0,22 мВ при температуре Т = 80 К представлены на рис. 17 [А66]. Частота воздействующего излучения 86 ГГц была выбрана по двум причинам: во-первых, в диапазоне 75-110 ГГц существуют коммерческие прецизионные калиброванные аттенюаторы, как переменные с динамическим диапазоном около 60 дБ, так и с фиксированным ослаблением, и, во-вторых, в этом диапазоне имелись импульсные модуляторы, работающие до частот в десятки МГц, что позволяло проводить измерения откликов переходов на высоких частотах, где шумы 1/f переходов не ограничивали минимально измеримые сигналы, а все ограничения были связаны с тепловыми флуктуациями в переходах. На рис.17 по горизонтальной оси отложена величина мощности излучения, поглощенной переходом. Для абсолютной нормировки оси мощности было использовано теоретическое значение, при котором амплитуда частотно-селективного отклика первый раз достигает максимума [13]. Зависимость амплитуд широкополосного и частотно-селективного отклика I при V1=hf/2e от величины поглощенной переходом мощности P очень хорошо описывается линейным законом при малых значениях P, тогда как амплитуда паразитного резонанса при V2=2Vоказывалась пропорциональной P2 [A66]. Видно, что динамический диапазон по мощности широкополосного отклика на порядок больше, чем аналогичная величина для частотноселективного отклика. Это обстоятельство подтверждает правильность выбора нормировки селективных откликов, использовавшихся при исследовании спектрального диапазона нестационарного эффекта Джозефсона (см. главу 5.4).
Из линейной зависимости частотно-селективного отклика If от мощности определена величина Поглощенная мощность (Вт) амперваттной чувствительности r = I/P = (31)104 А/Вт. Измеренная Рис. 17. Зависимости амплитуд широкополосного величина NEP = (85)10-15Вт/Гц1/Iс (квадраты) и частотно-селективного If (круги) была близка к теоретической откликов от поглощенной мощности излучения с величине NEP = 810-15 Вт/Гц1/2, частотой f = 86 ГГц для YBa2Cu3O7-x оцененной согласно резистивной бикристаллического перехода с Rn =1,2 Ом и IcRn = модели с учетом тепловых 0,22 мВ при T = 80 K [A66], [A69].
флуктуаций. Динамический диапазон частотно-селективного отклика по 1дБ критерию составил 51 дБ. Динамический диапазон широкополосного отклика составил 61 дБ по 1дБ критерию.
Достигнутый уровень динамического диапазона дает возможность проводить быстрые спектральные измерения с частотно-селективным джозефсоновским детектором в частотной полосе F 106 Гц с отношением сигнал/шум 102, а с широкополосным детектором в той же полосе с соотношением сигнал/шум 103. Таким образом, джозефсоновский детектор может оказаться весьма перспективным при работе с импульсными источниками электромагнитного излучения.
В разделе 6.6 рассмотрено квазиклассическое детектирование излучения ВТСП переходами. Частотно-селективное джозефсоновское детектирование, как показано в главе 5.3, ограничено по частоте снизу значением fl=(3fofc2/2)1/3[A57]. Это обстоятельство означает, что при меньших частотах ширина джозефсоновской генерации f становится больше частоты f джозефсоновской генерации и спектр джозефсоновской генерации имеет вид сплошного шумового спектра с обрезанием на частотах порядка fc=2eIcRn/h [13]. Если частоты внешнего излучения будут меньше fl, то механизм детектирования не будет частотно-селективным, а примет характер классического детектирования с независящей от частоты эффективностью. Этот механизм использовался соискателем ранее для реализации высокочувствительного детектора миллиметрового диапазона при реализации на высокоомных джозефсоновских переходах из низкотемпературных сверхпроводников [14]. С повышением IcRn до 8 мВ у разработанных ВТСП переходов появляется возможность продвинуть область классического джозефсоновского детектирования в терагерцовый диапазон. Экспериментально показано, что для YBa2Cu3O7-x бикристаллического перехода со взаимнонаклоненными осями с (IcRn = 2.8 мВ, Rn = 23 Ом, T = 40 K) отклики V(V) на частоты от 0.145 ТГц до 0.404 ТГц практически совпадают по зависимости от напряжения V и пропорциональны второй производной d2V/dI2 как функции напряжения V [A70]. Такая с f Отклик I, I (А) зависимость откликов от напряжения свидетельствует о классическом механизме детектирования. Только отклики на более высокую частоту 0.762 ТГц демонстрирует частотно-селективный механизм с переворотом фазы отклика при напряжении V=hf/2e.
Величина fl для данного перехода была оценена в 0,45 ТГц и может быть увеличена при оптимизации высокоомных ВТСП переходов для данного использования.
Численные оценки предельных детекторных характеристик были проведены для переходов, описывающихся резистивной моделью и имеющих высокие величины характерных напряжений и сопротивлений [А70], [А74], [А78]. Из оценок следует, что джозефсоновский детектор, выполненный на основе ВТСП перехода с IcRn = 5 мВ, Rn = 3Ом при T = 30 K и работающий при напряжении V = 0,3 мВ, может иметь величины NEP лучше, чем 2 10-14 Вт/Гц1/2, в диапазоне частот от 0 до 1,8 ТГц.
Такой широкополосный и чувствительный детектор может быть использован для пассивной визуализации теплового излучения в терагерцовом диапазоне. На его основе можно будет создать 1D-решетки, поскольку отклик таких переходов, в отличие от частотноселективных детекторов, менее чувствителен к вариациям смещения в решетки. Такой квазиклассический джозефсоновский детектор требует рабочих температур около 30-40К, что достижимо с помощью использовавшихся криоохладителей Стирлинга.
Глава 7 содержит результаты по гильберт-спектроскопии на основе ВТСП переходов.
В разделе 7.1 описываются созданные макеты гильберт-спектрометров, созданных на основе разработанных ВТСП переходов. Гильберт-спектрометр должен содержать систему согласования с тем, чтобы передать электромагнитный сигнал к джозефсоновскому переходу, собственно джозефсоновский переход, расположенный в криогенном блоке с соответствующей системой охлаждения, систему электронного обеспечения измерений с блоком аналоговой электроники задания постоянного смещения и регистрации данных, систему контроля и сбора данных и, наконец, компьютеризированную систему обработки данных.
Джозефсоновский переход в гильберт-спектрометре интегрирован с широкополосной логпериодической волнообразной антенной, изготовленной из благородных металлов (см.
рис. 10). Подложка с джозефсоновским переходом и антенной устанавливается на медном держателе, закрепленном на охлаждаемой платформе криогенного блока, причем над переходом закрепляется гиперполусферическая кремниевая линза. Простейшим криогенным блоком для гильберт-спектрометра является заливной криостат с жидким гелием и/или жидким азотом. Фотография лабораторного образца гильберт-спектрометра общего назначения с использованием заливного криостата с оптическим входом представлена на рис.30 (слева) [А42]. Лабораторный образец содержит следующие основные блоки:
Рис. 18. Макеты Гильберт спектрометров: слева - с оптическим криостатом [А41], [A42], [А54]; справа - с криохладителем SL200 (AIM IR Module GmbH) [А45], [A46],[А48], [A52].
основной объема для жидкого гелия или азота с криогенной поверхностью в вакууме, с дополнительным объемом для жидкого азота, охлаждающим радиационный экран, низкотемпературный предусилитель на азотном экране, электронной блок при комнатной температуре, синхронный детектор с интегрированной системой сбора данных и персонального компьютера. Излучение фокусируется на кремниевую гиперполусферическую линзу через полиэтиленовой окно и охлаждаемый до температуры жидкого азота низкочастотный инфракрасный фильтр.
Необходимость использования криогенных жидкостей для глубокого охлаждения чаще всего представляется основным препятствием для широкого коммерческого применения устройств сверхпроводниковой электроники, хотя уже довольно значительное время активно и успешно используются системы охлаждения без криогенных жидкостей - криоохладители, использующие различные термодинамические циклы и электрические компрессоры для сжатия рабочих газов, обычно гелия [45]. Еще в 1998 году нами был разработан и испытан лабораторный макет гильберт-спектрометра на основе криоохладителя SL200 (AIM IR Module GmbH), работающего по принципу цикла Стирлинга [А45], [A46], [А48], [A52]. Его фотография представлена на рис. 18 справа. Рабочие температуры джозефсоновского перехода в этой модели гильберт-спектрометра могли варьироваться в интервале от 30 до 90 К изменением электрической мощности компрессора.
В последнее время, нами используется модель LSF9589 (Thales Cryogenics B.V.), имеюшая приблизительно те же величины входной электрической и охлаждающей мощности, но более легкая, компактная и менее шумная. Детали использования криохладителей SL200 и LSF9589 в макетах гильберт-спектрометров приведены в работах [A82], [A84].
Критическими пунктами успешной интеграции ВТСП джозефсоновских переходов в криоохладители Стирлинга являются следующие: эффективная экранировка переменного магнитного поля компрессора экранами из пермаллоя, а также эффективное охлаждение компрессора с помощью радиаторов и обдува воздухом.
Раздел 7.2 содержит примеры использования гильберт-спектроскопии для спектрального анализа полихроматических источников. С помощью гильберт-спектроскопии проведены измерения и оптимизация выходных спектров излучения коммерческих генераторов в субтерагерцовом и терагерцовом диапазонах [А36], [A37], [A45], [A48], [A59], [A78], [A81], [A82], [A84]. С помощью специально разработанного гильберт-спектрометра для импульсных измерений были выполнены быстрые измерения спектров излучения импульсного генератора Ганна [A59], [A68]. Временные осциллограммы отклика спектрометра и окна интегрирования электронной схемы приведена на рис. 19а.
Длительность и частота повторения импульсов излучения от генератора Ганна составляли (а) (б) Рис 19. Гильберт-спектроскопия выходного излучения импульсного генератора Ганна: слева - осциллограммы отклика гильберт-спектрометра (верхняя кривая) и окна интегрирования (нижняя кривая), справа - спектр излучения генератора Ганна, полученный гильбертспектроскопией за 7 миллисекунд [A59].
200 нс и 1 МГц, соответственно. При измерениях с окном интегрирования, приведенном на 200 нс и 1 МГц, соответственно. При измерениях с окном интегрирования, приведенном на осциллограмме слева, был достигнут динамический диапазон по мощности более 28 дБ.
осциллограмме слева, был достигнут динамический диапазон по мощности более 28 дБ.
Спектр выходного излучения генератора Ганна, содержащий 512 измерительных точек, был Спектр выходного излучения генератора Ганна, содержащий 512 измерительных точек, был получен в течение 7 миллисекунд (рис. 19б). Измерения были выполнены с помощью сполучен в течение 7 миллисекунд (рис. 19б). Измерения были выполнены с помощью сориентированного джозефсоновского перехода с характерным напряжением IcRn = 315 мкВ ориентированного джозефсоновского перехода с характерным напряжением IcRn = 315 мкВ и Rn = 0,85 Ом при температуре Т = 77 К. Спектральное разрешение в 9 ГГц соответствует и Rn = 0,85 Ом при температуре Т = 77 К. Спектральное разрешение в 9 ГГц соответствует естественной ширине линии генерации при условиях измерения. Эти данные естественной ширине линии генерации при условиях измерения. Эти данные свидетельствуют о том, что гильберт-спектрометр может быть с успехом использован для свидетельствуют о том, что гильберт-спектрометр может быть с успехом использован для спектрального анализа импульсных источников излучения.
спектрального анализа импульсных источников излучения.
Высокая скорость измерения гильберт-спектроскопии позволяет быстро и достаточно Высокая скорость измерения гильберт-спектроскопии позволяет быстро и достаточно полно характеризовать источники, работающие по принципу умножения частоты, в области полно характеризовать источники, работающие по принципу умножения частоты, в области ТГц частот, где традиционные анализаторы спектра не работают. Так, были измерены ТГц частот, где традиционные анализаторы спектра не работают. Так, были измерены спектры излучения коммерческих умножителей частоты, в котором микроволновый сигнал спектры излучения коммерческих умножителей частоты, в котором микроволновый сигнал преобразовывался в полихроматическое излучение с частотами до 350 ГГц [A36], [A37].
преобразовывался в полихроматическое излучение с частотами до 350 ГГц [A36], [A37].
Гильберт-спектроскопия позволяет оценить эффективность присутствия гармоник высшего Гильберт-спектроскопия позволяет оценить эффективность присутствия гармоник высшего порядка в источниках излучения и эта возможность использовалась нами при разработках порядка в источниках излучения и эта возможность использовалась нами при разработках синтезированного полихроматического источника для идентификации жидкостей [A82], синтезированного полихроматического источника для идентификации жидкостей [A82], [A84]. Результаты спектрального анализа умножителей частоты представлены на рис. 20.
[A84]. Результаты спектрального анализа умножителей частоты представлены на рис. 20.
Исследовались многокаскадные умножители на основе диодов Шоттки, на вход которых Исследовались многокаскадные умножители на основе диодов Шоттки, на вход которых подавалось излучение с частотой fin от микроволнового синтезатора. Частота fin умножалась подавалось излучение с частотой fin от микроволнового синтезатора. Частота fin умножалась сначала с помощью активных каскадов 2 и затем 3 для того, чтобы получить излучение Wсначала с помощью активных каскадов 2 и затем 3 для того, чтобы получить излучение Wдиапазона (рис. 20а). Это излучение в свою очередь служило входным излучение для диапазона (рис. 20а). Это излучение в свою очередь служило входным излучение для пассивного умножителя 3, на выходе которого достигались частоты в несколько сотен ГГц пассивного умножителя 3, на выходе которого достигались частоты в несколько сотен ГГц (рис.20б). Спектры выходных излучений умножителей 6 и 18 измерялись гильберт(рис.20б). Спектры выходных излучений умножителей 6 и 18 измерялись гильбертспектрометром для каждой входной частоты fin в диапазоне от 9 до 21 ГГц с шагом 0,05 ГГц.
спектрометром для каждой входной частоты fin в диапазоне от 9 до 21 ГГц с шагом 0,05 ГГц.
Каждое из измерений занимало время от единиц до долей секунд и полная характеризация Каждое из измерений занимало время от единиц до долей секунд и полная характеризация одного умножителя занимала около 30 минут, из которых большая часть времени уходила на одного умножителя занимала около 30 минут, из которых большая часть времени уходила на ручную установку частоты синтезатора и сохранение данных измерений на компьютере. Из ручную установку частоты синтезатора и сохранение данных измерений на компьютере. Из рис. 20а следует, что выходное излучение является монохроматическим с fout = 6fin только рис. 20а следует, что выходное излучение является монохроматическим с fout = 6fin только при частотах fin в диапазоне входных частот от 15 до 19 ГГц. Вне этого диапазона fin, при частотах fin в диапазоне входных частот от 15 до 19 ГГц. Вне этого диапазона fin, выходное излучение содержит как частотные компоненты с n = 8, 10, 12 при fin от 9 до выходное излучение содержит как частотные компоненты с n = 8, 10, 12 при fin от 9 до ГГц, так и компоненты n = 3, 4, 5 при fin от 19 до 21 ГГц. Аналогичная картина наблюдается ГГц, так и компоненты n = 3, 4, 5 при fin от 19 до 21 ГГц. Аналогичная картина наблюдается (б) (а) Рис. 20. Спектры S(fout, fin) выходного излучения умножителей частоты с номинальным коэффициентом n = 6 (а) и n = 18 (б), измеренные гильберт-спектрометром [A82], [A84].
[A82], [A84].
и на рис. 20б для умножителя с номинальным n = 18. Кроме основной компоненты, в спектре наблюдаются компоненты с n = 20, 22, 24... 30 и даже следы нечетных компонент с n = 19, 21, 23 для низких, от 9 до15 ГГц, частот fin. И только при частотах fin от 15 до 18 ГГц выходной спектр умножителя становится монохроматическим.
Кроме умножителей частоты, преобразующих частоту вверх, в терагерцовом диапазоне используются газовые лазеры с оптической накачкой, преобразующие частоту вниз. Известно, что спектры излучения газовых лазеров с оптической накачкой могут содержать несколько линий, соответствующих различным вращательным переходам, индуцируемым в газе одной линией накачки [10]. Благодаря этому обстоятельству для достижения режима работы лазера с единичной линией излучения требуется высокоточная регулировка длины кюветы лазера. Для спектрального анализа лазерного излучения был использован гильберт-спектрометр на основе джозефсоновского перехода с взаимнонаклоненными осями с с Rn=2,Ом и IcRn=2,5 мВ при температуре 55 К.
Время сканирования частотного интервала от нуля до 3 ТГц составляло две секунды.
(а) Длины кюветы субмиллиметрового лазера изменялись и измерялись соответствующие спектры выходного излучения. Один из измеренных спектров показан на рис. 21 [A62]. Он содержит три линии с частотами 1.48, 1.76 и 2.52 ТГц.
Частоты этих линий находятся в Напряжение (мВ) соответствии с известными частотами линий CH3OH лазера с использованием линии 9P36 CO2-лазера в качестве сигнала (б) накачки. После регулировки длины лазерной кюветы и контроля спектра лазерного излучения гильбертспектрометром оказалось возможным реализовать работу лазера с одной линией излучения. Гильберт-спектроскопия Частота (ТГц) может быть перспективной при исследованиях импульсных терагерцовых Рис. 21. Измеренная функция отклика H(V) на источников излучения, где в настоящие излучение лазера CH3OH лазера с накачкой время используются громоздкие и линией 9P36 CO2 лазера (а) и спектр медленные интерференционные излучения, полученный с помощью гильбертустройства, типа Фурье спектрометров спектроскопии (б) [A62].
или Фабри-Перо резонаторов.
Раздел 7.3 посвящен измерению спектров переходного излучения от электронных сгустков в ускорителях электронов. Разработанные гильберт-спектрометры использовались для диагностики размеров сгустков в ускорителях электронов [A41], [A42], [A52]. Основной тенденцией в разработке новых ускорителей электронов является формирование все более высокоэнергетичных и компактных электронных сгустков, по времени пролета соответствующих субпикосекундной области ( [46], стр 531). Один из методов диагностики размеров сгустка базируется на технике частотного разрешения и анализа электромагнитного излучения, сопровождающего движение сгустка. Обычно использовались решеточная спектроскопия и фурье-спектроскопия в дальней инфракрасной области. Схема измерений с частотным разрешением показана на рис. 22а. Сгусток, содержащий N электронов, проходит через тонкую алюминиевую фольгу, размещенную под углом 450 относительно направления движения сгустка. Переходное излучение в этом случае испускается как вдоль направления движения сгустка, так и в перпендикулярном направлении. Эта вторая компонента излучения H ( V ) (отн. ед.) С пектр (отн. ед.) извлекается через окно из вакуумной камеры ускорителя и анализируется с помощью извлекается через окно из вакуумной камеры ускорителя и анализируется с помощью спектрометра. В коротковолновом пределе, когда длины волн излучения много меньше, чем спектрометра. В коротковолновом пределе, когда длины волн излучения много меньше, чем размера сгустка L, полученный спектр оказывается по интенсивности просто в N раз больше, размера сгустка L, полученный спектр оказывается по интенсивности просто в N раз больше, чем спектр I1() излучения от одного электрона. В обратном, длинноволновом пределе чем спектр I1() излучения от одного электрона. В обратном, длинноволновом пределе амплитуда электромагнитного излучения, испускаемого одним электроном, оказывается в амплитуда электромагнитного излучения, испускаемого одним электроном, оказывается в фазе с амплитудами излучения других электронов сгустка, и вследствие усиливающего фазе с амплитудами излучения других электронов сгустка, и вследствие усиливающего эффекта интерференции суммарная интенсивность в N2 раз превышает интенсивность I1().
эффекта интерференции суммарная интенсивность в N2 раз превышает интенсивность I1().
Сгусток Фольга из (а) (б) электронов алюминия Gaussian fit = 92 ГГц f=92 GHz f Гильберт Переходное спектрометр излучение 100 125 150 175 200 225 2frequency (GHz) Частота (ГГц) Рис. 22. Схема частотных измерений продольного пространственного распределения заряда в релятивистских электронных сгустках (а), и спектр переходного излучения, измеренный гильберт-спектроскопией (квадраты), в сравнении со гауссовым спектром с шириной f = 92 ГГц (штриховая линия), рассчитанным для сгустка гауссовой формы с длиной z = c/(2 21/2f) = 0,4 мм (б) [A41].
) [A41].
Первые измерения длины электронного сгустка с помощью гильберт-спектроскопии Первые измерения длины электронного сгустка с помощью гильберт-спектроскопии были проведены на экспериментальном линейном ускорителе TESLA (DESY, Гамбург, ФРГ) были проведены на экспериментальном линейном ускорителе TESLA (DESY, Гамбург, ФРГ) в 1997г. [А41], [A42]. Полученный спектр показан на рис. 22а. При анализе результатов в 1997г. [А41], [A42]. Полученный спектр показан на рис. 22а. При анализе результатов измерений, полученных методом гильберт-спектроскопии, предполагалось, что плотность измерений, полученных методом гильберт-спектроскопии, предполагалось, что плотность электронного сгустка имеет гауссову форму распределения. Рассчитанная при этом электронного сгустка имеет гауссову форму распределения. Рассчитанная при этом предположении и с учетом подгоночного параметра зависимость интенсивности переходного предположении и с учетом подгоночного параметра зависимость интенсивности переходного излучения от частоты, также имеющая гауссову форму, показана на рис. 22б штриховой излучения от частоты, также имеющая гауссову форму, показана на рис. 22б штриховой линией. Среднеквадратичное значение подгоночного параметра f (имеющего размерность линией. Среднеквадратичное значение подгоночного параметра f (имеющего размерность частоты) определяет среднеквадратичное значение длины z электронного сгустка:
частоты) определяет среднеквадратичное значение длины z электронного сгустка:
z=с/(2p21/2f). Подгоночный параметр f оказался равным (92 24) ГГц, что соответствует z=с/(2p21/2f). Подгоночный параметр f оказался равным (92 24) ГГц, что соответствует длине сгустка z = (0,4 0,1) мм.
длине сгустка z = (0,4 0,1) мм.
Раздел 7.4 содержит результаты разработки гильберт-спектрометра с использованием Раздел 7.4 содержит результаты разработки гильберт-спектрометра с использованием ртутной лампы. Ртутные лампы высокого давления являются общепринятым ртутной лампы. Ртутные лампы высокого давления являются общепринятым широкополосным источником электромагнитного излучения в спектроскопии дальнего широкополосным источником электромагнитного излучения в спектроскопии дальнего инфракрасного диапазона [20]. Именно с этим источником были проведены спектральные инфракрасного диапазона [20]. Именно с этим источником были проведены спектральные измерения пропускания и поглощения терагерцового излучения у твердотельных образцов и измерения пропускания и поглощения терагерцового излучения у твердотельных образцов и газообразных сред с использованием гильберт-спектроскопии [А54], [А67]. В этих газообразных сред с использованием гильберт-спектроскопии [А54], [А67]. В этих измерениях был использован гильберт-спектрометр c оптическим криостатом, описанный в измерениях был использован гильберт-спектрометр c оптическим криостатом, описанный в разделе 3.4. Дополнительно использовались газовая кювета длиной 25см с фокусирующим разделе 3.4. Дополнительно использовались газовая кювета длиной 25см с фокусирующим параболическими зеркалами, механический модулятор и 200-ваттная ртутная лампа параболическими зеркалами, механический модулятор и 200-ваттная ртутная лампа высокого давления. Измерения были проведены с с-ориентированным переходом с высокого давления. Измерения были проведены с с-ориентированным переходом с величинами Rn = 3 Ом и IcRn = 1 мВ при температуре 50 К. Спектр поглощения паров величинами Rn = 3 Ом и IcRn = 1 мВ при температуре 50 К. Спектр поглощения паров метанола, использованного в этих экспериментах при давлении 150 мбар, (рис.23б) содержит метанола, использованного в этих экспериментах при давлении 150 мбар, (рис.23б) содержит spectr um ( ar b. un. ) Спектр (отн. ед.) (б) (а) Частота (ГГц) Частота (ГГц) Рис. 23. Спектры поглощения в парах метанола (а) и пропускания толстого сеточного фильтра с периодом 0,5 мм (б), измеренные гильберт-спектроскопией [А54], [А67].
большое количество близко расположенных спектральных линий, которые было сложно разделить при разрешении порядка 10 ГГц. Спектры поглощения в экспериментах качественно изменялись при замещении паров метанола парами ацетона, которые поглощают сильнее на низких частотах [A78].
С помощью гильберт-спектроскопии были изучены спектры пропускания ячеистых фильтров или толстых металлических сеток [А54]. Такой фильтр (см. вставку на рис. 23а) содержит двумерную решетку квадратных отверстий с длиной порядка поперечного размера отверстия. Для электромагнитного излучения каждое отверстие представляет собой короткий металлический волновод, так что при относительно малых частотах ожидалось уменьшение пропускания по экспоненциальному закону. Именно эту экспоненциальную зависимость продемонстрировали эксперименты по измерениям спектров пропускания, и один из измеренных спектров показан на рис. 23а.
Подобные фильтры с периодами 2; 1,4; 1; 0,7 и 0,5 мм были использованы в Гильберт спектроскопии для оптимальной фильтрации низкочастотных частей спектра при работе с непрерывными источниками излучения [A67]. Спектральные компоненты широкополосного излучения с частотами, меньшими низкочастотного предела fl джозефсоновской генерации (раздел 5.5), будут детектироваться по классическому механизму и дадут значительный паразитный вклад в спектр [A67]. Поэтому, оптимальная фильтрация низкочастотного излучения, например, с помощью фильтров, выполненных из толстых металлических сеток и имеющих экспоненциальный закон убывания пропускания с понижением частоты, является необходимым условием правильного использования Гильберт спектроскопии.
В разделе 7.5 представлены результаты по идентификация жидкостей с помощью гильберт-спектроскопии. Организации, занимающиеся проблемами безопасности на транспорте, заинтересованы в разработке устройств, которые, в дополнение к имеющимся рентгеновским детекторам и обнаружителям металла, могли бы находить и идентифицировать в ручной клади те жидкости, которые потенциально могут быть использованы для приготовления взрывчатых веществ. Характерное время, затрачиваемое на пассажира в часы пик при контроле безопасности составляет сейчас около 20 секунд, поэтому новые устройства должны обеспечивать надежную, с малым процентом ошибочных срабатываний, идентификацию за времена, меньшие 10 секунд.
Среди различных методов обнаружения опасных веществ, методы, основанные на использование электромагнитных волн, считаются одними из наиболее перспективными[19].
Поглощение ( отн. ед.) Пропускание (отн. ед.) Для надежной идентификации жидкостей соискателем было предложено использовать cпектроскопические измерения в частотном диапазоне, где жидкости имеют характерные дисперсии своих диэлектрических функций [A78], [A80]. Такая дисперсия проявляется в спектрах отражения жидкостей, и разница между спектрами жидкостей в области дисперсии весьма значительная, за исключением разницы между данными для воды и перекиси водорода, которая составляет несколько процентов. Поэтому спектральная методика должна иметь сигнал/шум лучше, чем 100, при времени измерений порядка единиц секунд.
Спектральный диапазон дисперсии в опасных жидкостях составляет от единиц гигагерц до единиц терагерц и ни одной стандартной спектроскопической методикой не перекрывается.
Только гильберт-спектроскопия с использованием ВТСП переходов показала работоспособность в этом диапазоне (см. раздел 6.3) [A78].
Рис. 24. Макет установки для измерения Рис. 25. Спектры полихроматического спектров отражения от жидкостей с излучения, отраженного от металлического использованием гильберт-спектрометра зеркала и различных жидкостей внутри [A84].
тефлонового контейнера [A82].
Фото одного из макетов экспериментальной установки для измерения спектров отражения представлено на рис. 24. В данном макете использовался гильберт-спектрометр, интегрированный в криоохладитель LSF9589, показанный справа на рис. 24.
Полихроматический источник излучения с частотами от 15 до 400 ГГц был выполнен из двух умножителей частоты (слева), выходные излучения которых совмещались и направлялись с помощью эллиптического зеркала на сосуд с жидкостью. Второе эллиптическое зеркало направляло излучение, отраженное от сосуда с жидкостью, на Гильберт спектрометр. Излучение от источника модулировалось с частотой 50 кГц, а соответствующие отклики спектрометра детектировались синхродетектором и измерялись системой сбора данных как функции напряжения на переходе. Постоянные времени синхродетектора были в диапазоне от 1 мс до 10 мкс, что давало общее время измерения спектра от 5 секунд до 50 миллисекунд [A82], [A84].
Для того, чтобы получить спектральную чувствительность Гильберт спектрометра в диапазоне от 15 до 400 ГГц, джозефсоновские переходы выбирались с относительно малыми характерными напряжениями в 100 - 250 мкВ и сопротивлениями Rn = 0.2 - 0.5 Ом при температурах 75-80 K. Тестировались различные контейнеры из пластика или стекла и было установлено, что материал и форма контейнера оказывают влияние на измеряемые спектры.
Поэтому все исследуемые жидкости наливались последовательно в один тефлоновый контейнер с плоской отражающей поверхностью. Калибровка отражения осуществлялась постановкой металлического зеркала внутрь тефлонового контейнера. Результаты измерений представлены на рис. 25. Когда металлическое зеркало заменялось водой, интенсивность всех 5 пиков заметно падала, но низкочастотные компоненты (15.3 GHz-, 30.6 GHz- and 91.GHz) падали в 1,4 - 2 раза, а высокочастотные (282 и 376 GHz) - падали почти на порядок.
Для других жидкостей изменения в отражении было еще более значительное и специфичное для каждой жидкости. Мощности спектральных компонент в выходном излучении источника выбирались так, чтобы они были в пределах динамического диапазона джозефсоновского детектора, что по оценкам [A82], [A84] должно составлять 40 дБ и 30 дБ для синхродетектора 1 мс и 10 мкс, соответственно. Как следует из рис. 25, уровни мощности находятся внутри динамического диапазона, поскольку отклики на вторых гармониках основных частот отсутствуют.
Первые эксперименты показывают, что даже при 4 основных частотах от 15 до 3ГГц можно с помощью Гильберт спектроскопии идентифицировать жидкости за время порядка одной секунды. Такие полихроматические измерения более надежны при идентификации по сравнению со стандартными одночастотными измерениями только на низких ( 1 ГГц) частотах. Отношение сигнал/шум в данных экспериментах по отражению превышало 2102, что позволяет разрешить разницу в отражении от воды и перекиси водорода.
Недавно, с использованием частотно-селективного джозефсоновского детектирования нами были проведены прямые эксперименты по сравнению коэффициентов отражения от воды и 30% раствора перекиси водорода в воде и достигнута точность измерений 0,3%. С помощью джозефсоновской спектроскопии была продемонстрирована разница в 1,7% в коэффициентах отражения от воды и 30% раствора перекиси водорода в воде при частотах около 300 ГГц [67]. При этих измерениях времена измерений спектров составляли несколько секунд.
Для сравнения приведем результат подобных измерений, проведенных недавно с помощью терагерцовой спектроскопии временного разрешения. При использовании этой стандартной спектроскопической методики не было выявлено никакой разницы в спектрах отражения от воды и 30% раствора перекиси водорода в воде [68]. Спектры в такой спектроскопии измерялись за несколько минут, а достигнутая точность измерений составляла несколько процентов.
В разделе 7.6 приведены выводы по главе 7.
В заключении приведены основные результаты диссертации, выносимые на защиту, и указываются перспективы дальнейших детекторных и спектроскопических применений джозефсоновских переходов. Диссертация завершается списками опубликованных работ и использованной литературы, а также благодарностями.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
А1. Дивин, Ю.Я. Реальная аппаратная функция решеточного монохроматора/ Ю.Я. Дивин, О.Ю. Полянский, А.Я. Шульман // Оптика и спектроскопия.- 1979.- Т.47.- Вып.1.- С.
170-181.
А2. Дивин, Ю.Я. Спектроскопия некогерентного излучения с помощью эффекта Джозефсона/ Ю.Я. Дивин, О.Ю. Полянский, А.Я. Шульман // Письма в Журнал технической физики.- 1980.- Т.6.- Вып.17.- С. 1056-1061.
А3. А.с.730065, МКИ G 01 J 3/28. Спектрометр миллиметрового, субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов / Ю.Я. Дивин, О.Ю. Полянский О.Ю., А.Я. Шульман (СССР).- № 2639130/18-25; заявл. 06.07.1978; опубл. 23.06.1981; Бюл. №23.- 4 с.: ил.
А4. А.с. 881538, МКИ G 01 J 3/28. Способ измерения спектрального распределения интенсивности излучения / Ю.Я. Дивин, О.Ю. Полянский, А.Я. Шульман А.Я. (СССР).- № 2639129/18-25; заявл. 06.07.1978; опубл. 15.11.1981; Бюл. №42.- 4 с.: ил.- Пат.
4287418 США, МПК G01J3/28. Method for measuring the spectral distribution of electromagnetic radiation intensity and spectrometer of millimetric and far-infrared ranges for effecting same // J.Y. Divin, O.J. Polyansky, A.Y. Shulman. № 06/052688; Опубл.
01.09.1981. - 12с. : ил.
А5. Divin, Yu.Ya. Incoherent radiation spectroscopy based on ac Josephson effect/ Yu.Ya. Divin, O.Yu. Polyanski, A.Ya. Schul'man // IEEE Transactions on Magnetics.- 1983.- V.25.- No.2.- P.613-615.
А6. Дивин, Ю.Я. О ширине линии линии джозефсоновской генерации в дальнем инфракрасном диапазоне/ Ю.Я. Дивин, Н.А. Мордовец // Письма в Журнал технической физики.- 1983.- Т.9.- С. 253-255.
А7. А.с. 1099304, МКИ G 02 B 7/18. Устройство для юстировки оптических элементов // Ю.Я. Дивин, Н.А. Мордовец (СССР).- № 3548117/18-10; заявл. 02.02.1983; опубл.
23.06.1984; Бюл. №23.- 4 с.: ил.
А8. Hansen, J.B., Full splitting of the first zero-field steps in the I-V curve of Josephson junctions of intermediate length/ J.B. Hansen, Yu.Ya. Divin, J. Mygind // Physical Review B.- 1986.- V.33.- No.1.- P.605-607.
А9. Губанков, В.Н. Особенности взаимодействия электромагнитно о излучения миллиметрового диапазона длин волн с тонкими пленками YBaCuO/ В.Н. Губанков, Ю.Я. Дивин, С.Г. Зыбцев, П.М. Шадрин, Р.Н. Шефталь // Письма в Журнал техической физики.- 1988.- Т.14.- №8.- С.753-756.
А10. Afanasyev, A.S. Response of YBaCuO thin films to electromagnetic radiation and their electrical characteristics/ A.S. Afanasyev, A.F. Volkov, V.N. Gubankov, Yu.Ya. Divin, P.M.
Shadrin // IEEE Transactions on Magnetics.- 1989.- V.25.- No.2.- P.2571-2574.
А11. Афанасьев, А.С. Размерные эффекты в электропроводности тонкопленочных мостиков из высокотемпературных сверхпроводников/ А.С. Афанасьев, А.Ф. Волков, В.Н.
Губанков, Ю.Я. Дивин, П.М. Шадрин // Физика низких температур.- 1989.- Т.15.- №3.- С.322-325.
А12. Афанасьев, А.С. Размерные эффекты в электропроводности тонкопленочных мостиков из высокотемпературных сверхпроводников/ А.С. Афанасьев, В.Н. Губанков, Ю.Я.
Дивин, П.М. Шадрин // Письма в ЖЭТФ.- 1989.- Т.49.- №12.- С.674-6А13. Gubankov, V.N. AC Josephson effect in high-Tc polycrystalline thin-film bridges / V.N.
Gubankov, Yu.Ya. Divin, I.M. Kotelyanskii, V.B. Kravchenko // IEEE Transactions on Magnetics.- 1991.- V.27.- No.2.- P. 2840-2843.
А14. Afanasyev, A.S. Size effects in electrical behavior of high-Tc thin-film bridges / A.S.
Afanasyev, V.N. Gubankov, Yu.Ya. Divin // IEEE Transactions on on Magnetics.- 1991.- V.27.- No.2.- P.3312-3315.
А15. Divin, Yu.Ya. Laser probing of high-Tc superconducting thin films/ Yu.Ya. Divin, F.Ya.
Nad', V.Ya. Pokrovskii, P.M. Shadrin // IEEE Transactions on Magnetics.- 1991.- V.27.- No.2.- P. 1101-1104.
А16. А.с.1693399, МКИ G01J5/50. Способ измерения пространственного распределения интенсивности электромагнитного излучения / Ю.Я. Дивин (СССР).- №4036988/25;
заявл. 18.03.1986; опубл. 23.11.1991; Бюл. №43.- 4 с.: ил.).- Пат. 5123733 США, МПК G01J1/00. Method for measuring the spatial distribution of electromagnetic radiation intensity / J.Y. Divin.- №460348; опубл. 23.06.1992. - 9с. : ил.
А17. Дивин, Ю.Я. Джозефсоновские туннельные переходы с малой плотностью тока на основе гетероэпитаксиальныхслоев нитрида ниобия/ Ю.Я. Дивин, Р.Л. Зеленкевич, Комашко, В.Л. Носков, В.В. Павловский // Письма в ЖТФ.- 1991.- Т.17.- №13.- С.3236.
А18. Divin, Yu.Ya. Percolation and Josephson effects in high-Tc polycrystalline thin films / Yu.Ya.
Divin, V.N. Gubankov // Superconducting devices and their applications. Springer proceedings in physics, Ed. H.Koch, H. Lbbig, Springer Verlag., Berlin.- 1992.- V.64.- P.6670.
А19. Гельбух, С.С. Джозефсоновские туннельные переходы на (110) поверхности монокристалла ниобия с естественным барьером из оксида ниобия/ С.С. Гельбух, Ю.Я.
Дивин, В.И. Петросян // Письма в ЖТФ.- 1992.- Т.18.- С.23-26.
А20. A.c. 1785056, МКИ H01L39/22. Сверхпроводящее электронное устройство и способ его изготовления. / В.Н. Губанков В.Н., Ю.Я. Дивин, И.М. Котелянский, В.Б. Кравченко (СССР).- № 4862007/25; заявл. 04.09.90; опубл. 30.12.92, Бюл. № 48.- 5 с.: ил.
А21. Divin, Yu.Ya. Josephson oscillations and noise temperatures in YBa2Cu3O7-x grain-boundary junctions/ Yu.Ya. Divin, J. Mygind, N.F. Pedersen, P. Chaudhari // Applied Physics Letters.- 1992.- V.61.- No.25.- P.3053-3055.
А22. Divin, Y.Y. Linewidth of Josephson oscillations in YBa2Cu3O7-x step-edge grain-boundary junctions/ Y.Y. Divin, A.V. Andreev, A.I. Braginski, G.M. Fischer, K. Herrmann, J. Mygind, N.F. Pedersen, M. Siegel // Future Directions of Nonlinear Dynamics in Physical and Biological Systems (NATO Advanced Science Institutes Series, Series B, Physics) - 1993.- V.312.- P. 343-346.
А23. Divin, Yu. Ya. Millimeter-wave Hilbert-transform spectrum analyzer based on Josephson junction/ Yu. Ya. Divin, S. Y. Larkin, S. E. Anischenko, P. V. Khabaev, S. V. Korsunsky // International Journal of Infrared and Millimeter Waves.- 1993.- V.14.- No.6.- P.1367-1373.
А24. Divin, Yu.Ya. Linewidth of Josephson radiation in YBaCuO grain-boundary junctions / Yu.Ya. Divin, J. Mygind, N.F. Pedersen, P. Chaudhari // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 1993.- V.3.- No.1.- P.2337-2340.
А25. Divin, Yu.Ya. Millimeter-wave response and linewidth of Josephson radiation in YBa2Cu3O7-x step-edge junctions/ Yu.Ya. Divin, A.V. Andreev, G.M. Fischer, J. Mygind, N.F. Pedersen, K. Herrmann, V.N. Glyantsev, M. Siegel, A.I. Braginski // Applied Physics Letters.- 1993.- V.62.- No.11.- P.1295-1297.
А26. Andreev, A.V. Josephson effects in YBa2Cu3O7-x grain boundary junctions on (001) NdGaObicrystal substrates/ A.V. Andreev, Yu.Ya. Divin, V.N. Gubankov, I.M. Kotelyanskii, V.B.
Kravchenko, S.G. Zybtsev, E.A. Stepantsov // Physica C.- 1994.- V.226.- P.17-22.
А27. Divin, Yu.Ya. Imaging of electrical inhomogeneities in YBa2Cu3O7-x thin film structures by room-temperature laser scanning microscopy / Yu.Ya. Divin, P.M. Shadrin // Physica C.- 1994.- V.232.- P.257-262.
А28. Fischer, G.M. Ac Josephson effect in YBa2Cu3O7-x bicrystal grain boundary junctions/ G.M.
Fischer, A.V. Andreev, Yu.Ya. Divin, T. Freltoft, J. Mygind, N.F. Pedersen, Y. Shen, P. Vase // Physica B.- 1994.- V.194-196.- P.1687-1688.
А29. Андреев, А.В. Детектирование микроволнового излучения тонкопленочными YBa2Cu3O7-x микромостиками на бикристаллических подложках из NdGaO3 / А.В.
Андреев, Ю.Я. Дивин, В.Н. Губанков, И.М. Котелянский, В.Б. Кравченко, С.Г. Зыбцев, Е.А. Степанцов // Письма в Журнал Технической Физики.- 1994.- Т.20.- Вып. 13.- С.2427.
А30. Divin, Yu.Ya. Epitaxial YBa2Cu3O7-x thin films with tilted c-axis orientation / Yu.Ya. Divin, U. Poppe, J.W. Seo, B. Kabius, K. Urban // Physica C.- 1994.- V.235-240.- P.675-6А31. Grigorieva, I.V. C-axis-orientation-dependent vortex images in epitaxial thin films of YBa2Cu3O7-x / I.V. Grigorieva, J.W. Steeds, U. Poppe, H. Schulz, Yu.Ya. Divin, J.W. Seo, K. Urban // Physical Review B.- 1994.- V.50.- No.9.- P.6366- 6369.
А32. Divin, Y.Y. YBa2Cu3O7-x grain-boundary Josephson junctions for Hilbert-transform spectroscopy / Divin Y.Y., Poppe U., Schulz H., Klein N., Urban K., Stepantsov E.A. // Applied Superconductivity 1995. Proceedings of EUCAS 95. Ed.:D.Dew-Hughes, Inst. of Physics Conf. Ser. No.148, IOP Publishing Ltd., Bristol & Philadelphia.- 1995.- V.2.- P.16451648.- ISBN 0 7503 0371 9.
А33. Divin, Y.Y. Laser scanning microscopy of electrical inhomogeneities in high-Tc Josephson junctions / Y.Y. Divin, P.M. Shadrin // Applied Superconductivity 1995. Proceedings of EUCAS 95. Ed.:D.Dew-Hughes, Inst. of Physics Conf. Ser. No.148, IOP Publishing Ltd., Bristol & Philadelphia.- 1995.- V.2.- P.1367-1370.- ISBN 0 7503 0371 9.
А34. Divin, Y.Y. YBa2Cu3O7-x thin films with tilted c-axis as base electrodes of high-Tc planar junctions / Y.Y. Divin, U. Poppe, P.M. Shadrin, J.W. Seo, B.Kabius, K. Urban // Applied Superconductivity 1995. Proceedings of EUCAS 95. Ed.: D. Dew-Hughes, Inst. of Physics Conf. Ser. No.148, IOP Publishing Ltd., Bristol & Philadelphia.- 1995.- V.2.- P.1359-1362.- ISBN 0 7503 0371 9.
А35. Divin, Y.Y. YBa2Cu3O7-x thin-film Josephson junctions on 2х12 bicrystal (110) NdGaOsubstrates/ Y.Y. Divin, H. Schulz, U. Poppe, N. Klein, K. Urban, P.M. Shadrin, I.M.
Kotelyanskii, E.A. Stepantsov // Physica C.- 1996.- V.256.- No.1-2.- P.149-155.
А36. Divin, Yu.Ya. Millimeter-wave Hilbert-transform spectroscopy with high-Tc Josephson junctions / Yu.Ya. Divin, H. Schulz, U. Poppe, N. Klein, K. Urban, V.V. Pavlovskii // Applied Physics Letters.- 1996.- V.68.- No.11.- P.1561-1563.
А37. Divin, Y.Y. Hilbert-transform spectral analysis of millimeter- and submillimeter-wave radiation with high-Tc Josephson junctions / Y.Y. Divin, V.V. Pavlovskii, O.Y. Volkov, H.
Schulz, U. Poppe, N. Klein, K. Urban. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 1997.- V.7.- No.2,- P.3426-3429.
А38. Schulz, H. Fabrication and Characterization of YBa2Cu3O7-x Grain-Boundary Josephson Junctions on (110) NdGaO3 Bicrystal and Single-Twin Substrates/ H. Schulz, U. Poppe, N.
Klein, K. Urban, Y.Y. Divin, I.M. Kotelyanskii // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 1997.- V.7.- No.2.- P.3009-3012.
А39. Divin, Y.Y. YBa2Cu3O7-x Josephson junctions on NdGaO3 bicrystal substrates / Y.Y. Divin., I.M. Kotelyanskii, P.M. Shadrin, O.Y. Volkov, V.V. Shirotov, V.N. Gubankov, H. Schulz, U.
Poppe. // Applied Superconductivity 1997. Proceedings of EUCAS 97. Ed.: H.Rogalla and D.H.A. Blank, Inst. of Physics Conf. Ser. No.158, IOP Publishing Ltd., Bristol & Philadelphia.- 1997.- V.1.- P.467-470.- ISBN 0 7503 0485 5.
А40. Shadrin, P.M. Submicrometer electrical imaging of grain boundaries in high-Tc thin-film junctions by laser scanning microscopy/ P.M. Shadrin, Y.Y. Divin // Physica C.- 1998.- V.297.- P.69-74.
А41. Divin, Y.Y. Terahertz Hilbert-transform spectral analysis with high-Tc Josephson junctions:
first applications / Y.Y. Divin, O.Y. Volkov, V.V. Shirotov, V.V. Pavlovskii, U. Poppe, P.
Schmueser, M. Tonutti, K. Hanke, M. Geitz. // Proceedings SPIE, Conf. Millimeter and submillimeter waves IV.- 1998.- V.3465.- P.309-317.
А42. Divin, Y.Y. Hilbert-transform spectroscopy with high-Tc Josephson junctions: first spectrometers and first applications / Y.Y. Divin, U. Poppe., K. Urban, O.Y. Volkov, V.V.
Shirotov, V.V. Pavlovskii, P. Schmueser, K. Hanke, M. Geitz, M.Tonutti // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 1999.- V.9.- No.2.- P.3346-3349.
А43. Shadrin, P.M. Comparative study of electron and laser beam scanning for local electrical chracterization of high-Tc thin films and junctions / P.M. Shadrin, Y.Y. Divin, S. Keil, J.
Martin, R.P. Huebener // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 1999.- V.9.- No.2.- P.3925-3928.
А44. Divin, Y.Y. Epitaxial (101) YBa2Cu3O7-x thin films on (103) NdGaO3 bicrystal substrates / Y.Y. Divin, U. Poppe, C.L. Jia, J.W. Seo, V. Glyantsev// Applied Superconductivity 1999.
Proceedings of EUCAS 1999, the 4th European Conference on Applied Superconductivity, Sitges, Spain 14-17 September 1999, Ed. by X. Obradors, F. Sandiumenge and J.
Fontcuberta, Inst. of Physics Conf. Ser. No.167, IOP Publishing Ltd., Bristol & Philadelphia.- 2000.- V.2.- P. 29-32.- ISBN 0 7503 0746 3.
А45. Volkov, O.Y. Far-infrared Hilbert-transform spectrometer based on Stirling cooler / O.Y.
Volkov, V.V. Pavlovskii, Y.Y. Divin, U. Poppe // Applied Superconductivity 1999.
Proceedings of EUCAS 1999, the 4th European Conference on Applied Superconductivity, Sitges, Spain 14-17 September 1999, Ed. by X. Obradors, F. Sandiumenge and J.
Fontcuberta, Inst. of Physics Conf. Ser. No.167, IOP Publishing Ltd., Bristol & Philadelphia.- 2000.- V.2.- P.623-626.- ISBN 0 7503 0746 3.
А46. Divin, Y.Y. Frequency-selective incoherent detection of terahertz radiation by high-Tc Josephson junctions / Y.Y. Divin, U. Poppe, O.Y. Volkov, V.V. Pavlovskii // Applied Physics Letters.- 2000.- V.76.- No.20.- P.2826-2828.
А47. Пат.19648234 ФРГ, МПК H01L39/24. Schichtenfolge mit wenigstens einer epitaktischen, nicht c-Achsen orientierten Schicht aus einer mit Hochtemperatursupraleitern kristallographisch vergleichbaren Struktur / Divin Y., Seo J., Poppe U.; заявитель и патентообладатель Forschungszentrum Jlich.- № 09/091851; заявл. 06.22.98;
опубл.12.04.00.- Пат. 6156706 США, МПК B 32 B 18/00. Layer structure with an epitaxial, non-c-axis oriented HTSC thin film // Divin Y., Seo J., Poppe U.; заявитель и патентообладатель Forschungszentrum Jlich.- № 09/091851; заявл. 18.12.1996; опубл.
05.12.2000- Пат. 0868753 ЕС, МПК В 32 C 30 B29/10. Layer sequence with at least one epitaxial, non-c-axis HTSC film or with a layer of a structure crystallographically comparable to HTSC / Divin Y., Seo J., Poppe U.; заявитель и патентообладатель Forschungszentrum Jlich.- № 96946217; заявл. 18.12.1996; опубл. 05.12.2000.
А48. Divin, Y.Y. Terahertz spectral analysis by ac Josephson effect in high-Tc bicrystal junctions / Y.Y. Divin, O.Y. Volkov, V.V. Pavlovskii, U. Poppe, K. Urban // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 2001.- V.11.- No.1.- P.582-585.
А49. Poppe, U. Properties of YBa2Cu3O7-x thin films deposited on substrates and bicrystals with vacinal offcut and realization of high IcRn junctions / U. Poppe, Y.Y. Divin, M.I. Faley, C.L.
Jia, J.S. Wu, K. Urban // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 2001.- V.11.- No.1.- P.3768-3771.
А50. Shadrin, P.M. Spread of critical currents in thin-film YBa2Cu3O7-x bicrystal junctions / P.M.
Shadrin, Y.Y. Divin // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 2001.- V.11.- No.1.- P.414-417.
А51. Shirotov, V. Dynamic range of frequency-selective response of high-Tc Josephson detector to millimeter-wave radiation / V. Shirotov, Y.Y. Divin, K. Urban // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 2001.- V.11.- No.1.- P.955-957.
А52. Divin, Y. Terahertz Hilbert spectroscopy by high-Tc Josephson junctions/ Y. Divin, O.
Volkov, V. Pavlovskii, V. Shirotov, P. Shadrin, U. Poppe, K. Urban // Advances in Solid State Physics.- Ed. B. Kramer (Springer, Berlin, Germany).- 2001.- V.41.- P. 301-313.
А53. Divin, Y.Y. Hilbert spectroscopy from gigahertz to terahertz frequencies by high-Tc Josephson junctions / Y.Y. Divin, O.Y. Volkov, M.V. Liatti, V.V. Shirotov, V.V. Pavlovskii, U. Poppe, P. M. Shadrin, K. Urban // Physica C.- 2002.- V.372.- P.416-419.
А54. Shirotov, V.V. Far-infrared broadband measurements with Hilbert spectroscopy / V.V.
Shirotov, Y.Y. Divin, K. Urban // Physica C.- 2002.- V.372.- P.454-456.
А55. Shadrin, P. Spread of critical currents in thin-film YBa2Cu3O7-x bicrystal junctions and faceting of grain boundary / Shadrin P., Jia C. L., Divin Y. // Physica C.- 2002.- V.372.- P.80-82.
А56. Divin, Y.Y. Structural and electrical properties of YBa2Cu3O7-x [100]-tilt grain boundary Josephson junctions with large IcRn-product on SrTiO3 bicrystals/ Y.Y. Divin, U. Poppe, C.L.
Jia, P.M. Shadrin, K. Urban // Physica C.- 2002.- V.372.-P.115-118.
А57. Divin, Y.Y. Spectral Range of the ac Josephson Effect in [001]-tilt YBa2Cu3O7-x Bicrystal Junctions / Y.Y. Divin, O.Y. Volkov, M.V. Liatti, V.N. Gubankov // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 2003.- V.13.- No.2.- P.676-679.
А58. Shadrin, P. Spread of critical currents in thin-film YBa2Cu3O7-x bicrystal junctions and faceting of grain boundary / P. Shadrin, C. L. Jia, Y. Divin // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 2003.- V.13.- No.2.- P.603-605.
А59. Shirotov, V. Application of Hilbert spectroscopy to pulsed far-infrared radiation / V. Shirotov, Y. Divin, U. Poppe, H. Larue, E. Zimmermann, A. Ahmet, H. Halling, K. Urban // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 2003.- V.13.- No.2.- P.172-175.
А60. Дивин, Ю.Я. Бикристаллические джозефсоновские переходы из с-ориентированных YBa2Cu3O7-x пленок для терагерцовой Гильберт-спектроскопии / Ю.Я. Дивин, И.М.
Котелянский, В.Н. Губанков // Радиотехника и электроника.- 2003.- Т.48.- №10.- С.1238-1249.
А61. Divin, Y.Y. [100]-tilt YBa2Cu3O7-x grain- boundary Josephson junctions with high IcRnproduct on NdGaO3 bicrystal substrates / Y.Y. Divin, I.M. Kotelyanskii, P.M. Shadrin, C.L.
Jia, U. Poppe, K. Urban // Applied Superconductivity 2003. Proc. 6th European Conf. Appl.
Superconductivity, Sorrento, Italy, 14-16 Sept. 2003. IOP Conf. Series N 181.
Ed.:A.Andreone, G.P. Pepe, R. Cristiano and G. Masulo. IOP Publishing (Bristol, Philadelphia).- 2004.- P.3112-3118.- ISBN 07503 09814.
А62. Divin, Y.Y. Terahertz Josephson effect in [001]- and [100]-tilt YBa2Cu3O7-x grain-boundary junctions / Y.Y. Divin, O.Y. Volkov, M.V. Liatti, V.N. Gubankov, K. Urban // Applied Superconductivity 2003. Proc. 6th European Conf. Appl. Superconductivity (Sorrento, Italy, 14-16 Sept. 2003), IOP Conf. Series N 181, ed.: A. Andreone et al., IOP Publishing (Bristol, Philadelphia).- 2004.- P.2970-2977.- ISBN 07503 09814.
А63. Shadrin, P. Faceting of Grain Boundary and Critical Current in [001]-tilt YBa2Cu3O7-x Bicrystal Junctions / P. Shadrin, C.L. Jia, Y. Divin // Applied Superconductivity 2003. Proc.
6th European Conf. Appl. Superconductivity, Sorrento, Italy, 14-16 Sept. 2003. IOP Conf.
Series N 181. Ed.: A.Andreone, G.P. Pepe, R. Cristiano and G. Masulo. IOP Publishing (Bristol, Philadelphia).- 2004.- P. 3053-3058.- ISBN 07503 098А64. Liatti, M.V. Low-frequency noise in [001]- and [100]-tilt YBa2Cu3O7-x grain-boundary Josephson junctions / M.V. Liatti., Y.Y. Divin, V.N. Gubankov, K. Urban // Applied Superconductivity 2003. Proc. 6th European Conf. Appl. Superconductivity (Sorrento, Italy, 14-16 Sept. 2003), IOP Conf. Series N 181., ed.: A. Andreone et al., IOP Publishing (Bristol, Philadelphia).- 2004.- P. 3106-3111.- ISBN 07503 09814.
А65. Divin, Y.Y. Terahertz Josephson detectors and Hilbert spectroscopy / Y.Y. Divin, M.V.
Liatti, V.V. Shirotov, U. Poppe, V.N. Gubankov, K. Urban // Conf. Digest of the 2004 Joint 29th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 12th Int. Conf. on Terahertz Electronics, Karlsruhe, Germany, 2004 (ed. M. Thumm,W. Wiesbeck, IEEE, Piscataway, NJ).- 2004.- P.277-278.- ISBN: 0-7803-8490-3.
А66. Широтов, В.В. Частотно-селективный YBa2Cu3O7-x джозефсоновский детектор:
динамический диапазон по мощности в субтерагерцовом диапазоне частот / В.В.
Широтов, Ю.Я. Дивин // Письма в ЖТФ.- 2004.- Т.30.- №12.- С.79-85.
А67. Широтов, В.В. Оптимальная фильтрация широкополосного излучения в Гильбертспектроскопии / В.В. Широтов, Ю.Я. Дивин // Письма в ЖТФ.- 2004.- T.30.- №13.- С.59-64.
А68. Широтов, В.В. Частотно-селективный джозефсоновский детектор импульсного субтерагерцового излучения / В.В. Широтов, Ю.Я. Дивин // Радиотехника и электроника.- 2004.- Т.49.- № 9.- С.1135-1139.
А69. Divin, Y.Y. Terahertz Detection and Spectroscopy Based on High-Tc Josephson Junctions / Y.Y. Divin, M.V. Liatti, D.A. Tkachev, V.V. Pavlovskii, V.V. Shirotov, O.Y. Volkov, U.
Poppe, C.L. Jia, V.N. Gubankov, K. Urban // Proc. 18th Int. Conf. on Appl. Electromagnetics and Communications, Dubrovnik, Croatia, 12-14 October 2005 (Ed. D. Bonefacic, KoREMA, Zagreb, Croatia).- 2005.- P.149-152.- ISBN: 953-6037-44-0.
А70. Divin, Y.Y.>
Gubankov, K. Urban // Journal of Physics: Conference Series.- 2006.- V.43.- P.1211-1214.
А72. Лятти, М.В. Сигнальные и шумовые характеристики терагерцового частотноселективного джозефсоновского YBa2Cu3O7-x детектора / М.В. Лятти, Д.А. Ткачев, Ю.Я. Дивин // Письма в ЖТФ.- 2006.- Т.32.- №19.- С.79-А73. Liatti, M.V. Low-frequency voltage noise and electrical transport in [100]-tilt YBa2Cu3O7-x grain-boundary junctions / M.V. Liatti, U. Poppe, Y.Y. Divin // Appl. Phys. Lett.- 2006.- V.88.- 152504 (3 Pages).
А74. Divin, Y.Y. Broadband THz detection by high-Tc Josephson junctions / Y.Y. Divin, V.V.
Pavlovski, D.A. Tkachev, O.Y. Volkov, V.N. Gubankov, K. Urban // Conference Digest of the 2006 Joint 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th International Conference on Terahertz Electronics, Sept. 18-22, 2006 Shanghai, China (Eds.
S. C. Shen et al.).- 2006.-P. 345-345.- ISBN: 1-4244-0399-5.
А75. Divin, Y.Y. Josephson tunneling in [100]-tilt YBa2Cu3O7-x bicrystal junctions / Y.Y. Divin, M.V. Liatti, D.A.Tkachev, U. Poppe // Physica C.- 2007.- V.460-462.- P.1270-1271.
А76. Lyatti, M. Signal and noise characteristics of terahertz frequency-selective and broadband high-Tc Josephson detectors / M. Lyatti, Y. Divin, O. Volkov, V. Pavlovskii, V. Gubankov, K. Urban // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 2007.- V.17.- No.2.- P.332335.
А77. Lyatti, M.V. Electrical transport and noise properties of [100]-tilt YBa2Cu3O7-x grainboundary junctions with high IcRn product / M.V. Lyatti, U. Poppe, Y.Y. Divin // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.- 2007.- V.17.- No.2.- P. 314-317.
А78. Divin, Y. High-Tc Josephson Detectors and Hilbert Spectroscopy for Security Applications / Y. Divin, U. Poppe, V.N. Gubankov, K. Urban // IEEE Sensors J.- 2008. -V.8. - P.750-757.
А79. Divin, Y. Josephson spectroscopy of terahertz losses in [100]-tilt YBa2Cu3O7-x bicrystal junctions / Y. Divin, M. Lyatti // J. of Phys.: Conf. Ser.- 2008.- V.97.- 012223 (6 pages).
А80. Divin, Y. Hilbert spectroscopy of liquids for security screening / Y. Divin, U. Poppe, K.
Urban // Detection of liquid explosives and flammable agents in connection with terrorist actions (NATO Science for Peace and Security Series B, Springer Netherlands. Ed. H.
Schubert, A. Kuznetsov).- 2008.- P.189-204.
А81. Дивин, Ю.Я. Терагерцовая спектроскопия на основе джозефсоновских переходов из высокотемпературных сверхпроводников / Ю.Я. Дивин, У. Поппе, И.М. Котелянский, В.Н. Губанков, К. Урбан // Радиотехника и электроника.- 2008.- Т.53.- №.10.- С.12051222.
А82. Lyatti, M. Liquid identification by Hilbert spectroscopy / M. Lyatti, Y. Divin, U. Poppe, K.
Urban // Supercond. Sci. Technol.- 2009.- V.22. - 114005 (8 pages).
А83. Волков, O.Ю. Джозефсоновская адмиттансная спектроскопия характеристик логопериодической антенны в субмиллиметровом диапазоне длин волн / O.Ю. Волков, В.Н. Губанков, И.И. Гундарева, Ю.Я. Дивин, В.В.Павловский // Радиотехника и электроника.- 2009.- Т.54. - Nо.11.- С.1381-1386.
А84. Divin, Y. Hilbert spectroscopy based on the ac Josephson effect for liquid identification / Y.
Divin, M. Lyatti, U. Poppe, K. Urban // J. Phys.: Conf. Ser. -2010.- V.234.- 042005 (pages).
Список цитированной литературы 1. Giaever, I. Energy gap in superconductors measured by electron tunneling // Phys. Rev. Lett.1960.- V.5.- P.147-12. Josephson, B. D. Possible new effects in superconductive tunneling // Phys. Lett.- 1962.- V.1.- P.251-253.
3. Zmuidzinas J., Richards P.L. Superconducting detectors and mixers for millimeter and submillimeter astrophysics // Proc. IEEE.- 2004.- V.92.- P.1597-1616.
4. Kleiner, R. Superconducting quantum interference devices: state of the art and applications / R.
Kleiner, D. Koelle, F. Kudwig, J. Clarke // Proc. IEEE.- 2004.- V.92.- P.1534-1548.
5. Benz S.P., Hamilton C.A. Application of the Josephson effect to voltage metrology. // Proc.
IEEE.- 2004.- V.92.- P.1617-1629.
6. Berggren, K.K. Quantum computing with superconductors // Proc. IEEE.- 2004.- V.92.- P.1630-1638.
7. Hayakawa, H. Superconducting digital electronics/ H. Hayakawa, N. Yoshikawa, S. Yorozu, A.
Fujimaki // Proc. IEEE.- 2004.- V.92.- No.10.- P.1549-1563.
8. Mukhanov, O.A. Superconductor analog-to-digital converters / O.A. Mukhanov, D. Gupta, A.M. Kadin, V.K. Semenov // Proc. IEEE.- 2004.- V.92.- No.10.- P.1564-1584.
9. Winkler, D. Superconducting analogue electronics for research and industry// Supercond.. Sci.
Technol.- 2003.- V.16.- P.1583Ц1590.
10. Chantry, G. W. Submillimetre Spectroscopy // London and New York: Academic Press.-1971.
11. Koshelets, V. P. Superconducting phase-locked local oscillator for a submillimetre integrated receiver / V. P. Koshelets, S. V. Shitov, L. V. Filippenko, P. N. Dmitriev, A. B. Ermakov, A. S.
Sobolev, M. Yu. Torgashin, A. L. Pankratov, V. V. Kurin, P. Yagoubov, R. A. Hoogeveen // Supercond. Sci. Technol.- 2004.- V.17.- S.127-131.
12. Tarasov, M. Terahertz spectroscopy with a Josephson oscillator and a SINIS bolometer / M.
Tarasov, L. KuzТmin, E. Stepantsov, I. Agulo, A. Kalabukhov, M. Fominskii, Z. Ivanov, T.
Claeson // JETP Lett.- 2004.- V. 79.- No. 6.- P. 298Ц303.
13. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джозефсоновскими контактами // М.: МГУ.- 1978.
14. Дивин Ю.Я. Электрические и спектральные свойства сверхпроводящего точечного контакта и использование его в приемниках миллиметрового и субмиллиметрового излучения // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук. ИРЭ АН СССР, Москва.- 1979.- 167 стр.
15. Волков А.Ф. Влияние импеданса внешней цепи на вольтамперную характеристику джозефсоновского перехода // Радиотехника и электроника.- 1972.- Т.17.- № 12.- С.
2581-2583.
16. Дивин Ю.Я., Полянский О.Ю., Шульман А.Я. Спектроскопия некогерентного излучения с помощью эффекта Джозефсона// Письма в Журнал технической физики.- 1980.- Т.6.- Вып.17.- С. 1056-1061.
17. Woolard, D.L. Terahertz Frequency Sensing and Imaging: A Time of Reckoning Future Applications? / D.L. Woolard, E.R. Brown, M. Pepper, M. Kemp // Proc. IEEE.- 2005.- V.93.- No.10.-P.1726-1743.
18. Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology// Nature Photonics.- 2007.- V.1.- P.97-105.
19. Assessment of Millimeter-Wave and Terahertz Technology for Detection and Identification of Concealed Explosives and Weapons // Washington, D.C.: The National Academies Press.- 2007.- 88 pages.- ISBN: 0-309-66849-2. 20. Bednorz J. G., Mller K. A. Possible high-Tc superconductivity in the Ba-La-Cu-O system // Z.
Phys. B: Condens.Matter.- 1986.- V.64.- P.189-193.
21. Damascelli A., Hussain Z., Shen Z.-X. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors // Rev. Mod. Phys.- 2003.- V.75.- P. 473-541.
22. Дивин Ю.Я., Надь Ф.Я. Зависимость избыточного тока в сверхпроводящих точечных контактах от температуры и напряжения // Письма ЖЭТФ.- 1979.- Т.29.- Вып.9.- С.567570.
23. Tarasov, M.A. Quasioptical Hilbert Transform Spectrometer/ M. A. Tarasov, A.Ya. ShulТman, G. V. Prokopenko, V. P. Koshelets, O. Yu. Polyanski, I. L. Lapitskaya, A. N. Vystavkin // IEEE Trans. Appl. Supercond.- 1995.- V.5.- P.2686-2689.
24. Hilgenkamp H., Mannhart J. Grain boundaries in high-Tc superconductors // Rev. Mod. Phys.- 2002.- V.74.- P.485-549.
25. Golubov A.A., Kupriyanov M. Yu., IlТichev E. The current-phase relation in Josephson junctions// Rev. Mod. Phys.- 2004.- V.76.- P.412-469.
26. Poppe, U. Low-resistivity epitaxial YBa2Cu307 thin films with improved microstructure and reduced microwave losses/ U. Poppe, N. Klein, U. Dhne, H. Soltner, C.L. Jia, B. Kabius, K.
Urban, A. Lubig, K. Schmidt, S. Hensen, S.Orbacn, G. Mller, H. Piel. // J. Appl. Phys.- 1992.- V.71.- P.5572-5578.
27. Mannhart, J. Spatially resolved observation of supercurrents across grain boundaries in YBaCuO film/ J. Mannhart, R. Gross, K. Hipler, R.P. Huebener, C.C. Tsuei, D. Dimos, P.
Chaudhari // Science.- 1989.- V.245.- P. 839Ц841.
28. Gudoshnikov, S.A. Direct-coupled electronics for high-temperature superconductor dc SQUIDbased magnetometer/ S.A. Gudoshnikov, N. Ukhansky, I.I. Vengrus, L.V. Matveets, K.E.
Andreev, O.V. Snigirev, S.I Krasnosvobodtsev // IEEE Trans. Instr. Meas.- 1997.- V.46.- P.624-628.
29. Friedmann, T.A. Direct measurements of the anisotropy of the resistivity in a-b plane of twinfree, single-crystal, superconducting YBa2Cu3O7- / T.A. Friedmann, M.W. Rabin, J.
Giapintzakis, J.P. Rice, D.M. Ginsberg // Phys.Rev. B.- 1990.- V.42.- P.6217-6221.
30. Czerwinka, P.S. Investigation of the in-plane anisotropy and the critical behaviour of the 10tilted YBa2Cu3O7- films grown upon (106) SrTiO3 substrates / P.S. Czerwinka, R.P.
Campion, K.F. Horbelt, P.J. Ring, S. Misat, S.M. Morley, H.-U. Habermeier, B. Leitbold// Physica C.- 1999.- V.324.- P.96-112.
31. Kornev, V.K. Spectral study of the Shapiro subharmonic step formation/ V.K. Kornev, A.V.
Arzumanov, K.Y. Constantinian, A.D. Mashtakov, G.A. Ovsyannikov// Inst. Phys. Conf. Ser.- 1997.- No.158.- P. 559-562.
32. Fillipov A.T., GalТpern Yu. S. Bound states, bifurcations and static chaos in Josephson lattices// Physics Lett. A.- 1993.- V.172.- P.471-474.
33. Stepantsov, E. THz Josephson properties of grain boundary YBaCuO junctions on symmetric, tilted bicrystal sapphire substrates/ E. Stepantsov, M. Tarasov, A. Kalabukhov, L. Kuzmin, T.
Claeson // J. Appl. Phys.- 2004.- V.96.- P.3357-3361.
34. Ogawa, A. Properties of (Hg, Re)Ba2CaCu2Oy [100]-tilt grain boundary Josephson junctions/ A. Ogawa, T. Sugano, H. Wakana, A. Kamitani, S. Adachi, Y. Tarutani, K. Tanabe // J. Appl.
Phys.- 2006.- V.99.- 123907.
35. Borisenko, I.V. Characterization and Dynamics of [100]-Tilted Y-B-C-O Bicrystal Junctions on Nd-Ga-O3 / I.V. Borisenko, I.M. Kotelyanski, A.V. Shadrin, P.V. Komissinski, G.A.
Ovsyannikov // IEEE Trans. Appl. Supercond.- 2005.- V.15.- P.165-168.
36. Sarnelli, E. A>
Technol.- 2005.- V.15.- L35.
37. Kawasaki M., Chaudhari P., Gupta A. 1/f Noise in YBa2Cu3O7- Superconducting Bicrystal Grain-Boundary Junctions // Phys. Rev. Lett.- 1992.- V.68.- P.1065-1067.
38. Bendat J.S. Randon Data: Analysis and Measurement Procedures // N.Y.: Wiley.- 2000.
39. Marx, A. 1/f noise in Bi2Sr2CaCu2O8+x bicrystal grain-boundary Josephson junctions/ A.
Marx, U. Fath, W. Ludwig, R. Gross, T. Amrein // Phys. Rev. B.- 1995.- V.51.- P.6735-6738.
40. Ransley, J. H. T. The normal-state resistivity of grain boundaries in YBa2Cu3O7- / Ransley J.
H. T., Mennema S. H., Burnell K. G., Tarte E. J., Evetts J. E., Blamire M. G., Kye J. I., Oh B.
// Appl. Phys. Lett.- 2004.- V.84.- P.4089-4091.
41. Humliek, J. Lattice vibrations of Y1-xPrxBa2Cu307: theory and experiment / J. Humliek, A.
P. Litvinchuk, W. Kress, B. Lederle, C. Thomsen, M. Cardona, H. U. Habermeier, I. E.
Trofimov, W. Knig //Physica C.- 1993.- V.206.- P.345-349.
42. Genzel L. Far-Infrared Fourier Transform Spectroscopy // Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids.- Ed.: G. Grner.- Berlin: Springer.- 1998.- P. 169-220.
43. Helm, Ch. Coupling between Phonons and Intrinsic Josephson Oscillations in Cuprate Superconductors/ Ch. Helm, Ch. Preis, F. Forsthofer, J. Keller, K. Schlenga, R. Kleiner, P.
Mller // Phys. Rev. Lett.- 1997.- V.79.- N.4.- P.737-740.
44. DuHamel R.H., Scherer J.P. Frequency-independent antennas // Antenna engineering handbook.- ed. R. C. Johnson.- New York: McGraw-Hill.- 1993.- P.14.1 -14.67.
45. Radenbaugh, R. Refrigeration for superconductors // Proc. IEEE.- 2004.- V.92.- P.1719-1734.
46. Conceptual Design of a 500 GeV e+e- Linear Collider with Integrated X-ray Laser Facility // Ed.: R. Brinkmann et al., Hamburg: DESY.- 2007.- 1183 pages.
47. Divin Y. Hilbert spectroscopy for security screening of liquids/ Y.Divin, M. Lyatti, V.
Pavlovskiy, U. Poppe, K.Urban// Proc. 35th Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves.- 2010.- N.Y.: IEEE.- Fr-F1.2 (2 pages).
48. Mller U. Terahertz reflection spectroscopy of Debye relaxation in polar liquids/ U. Mller, D.G. Cooke, K. Tanaka, P.U. Jepsen // J. Opt. Soc. Am. B.- 2009.- V.26.- P.A113-А125.