научная статья по теме ДЖОЗЕФСОНОВСКАЯ АДМИТТАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ В СУБМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ДЖОЗЕФСОНОВСКАЯ АДМИТТАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ В СУБМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 54, № 11, с. 1381-1386

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ^^^^^^^^^^ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ

УДК 621.3

ДЖОЗЕФСОНОВСКАЯ АДМИТТАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ В СУБМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН1 © 2009 г. О. Ю. Волков, В. Н. Губанков, И. И. Гундарева, Ю. Я. Дивин, В. В. Павловский

Поступила в редакцию 27.05.2009 г.

Продемонстрировано использование джозефсоновской адмиттансной спектроскопии для исследования спектральных характеристик широкополосной логопериодической антенны в частотном диапазоне 50.. .700 ГГц. Восстанавливалась зависимость действительной части адмиттанса антенны, соединенной с джозефсоновским переходом, от частоты. На полученной зависимости наблюдались мелкомасштабные особенности, связанные с резонансами антенны и обладающие периодичностью в зависимости от логарифма частоты.

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) автономного джозефсонов-ского перехода (ДП) имеет нелинейный вид, который обусловлен усреднением джозефсоновских колебаний [1]. Помещение ДП в среду с дисперсией или подключение перехода к схемным элементам с частотно-зависимыми характеристиками модифицирует форму джозефсоновских колебаний и приводит к изменению ВАХ перехода. В ряде работ, опубликованных ранее, было показано, что ДП может быть использован для определения характерных частот внешнего резонатора Фабри-Перо [2], резонансных ¿С-контуров и коаксиальных линий, соединенных с переходом [3], спектральных линий поглощения ряда веществ, нанесенных на область слабой связи [3, 4] в микроволновом и миллиметровом диапазонах длин волн. Теоретическое рассмотрение влияния внешних цепей на ВАХ ДП было проведено в работе [5]. Результаты этой работы составляют основу джозефсоновской адмиттансной спектроскопии, которая позволяет измерять именно спектральную функцию - действительную часть частотно-зависимого адмиттанса окружения ДП, а не только величины характерных резонансных частот, как это проводилось раннее в экспериментальных работах [2-4].

В настоящее время используется ряд методик измерения комплексного частотно-зависимого импеданса в субмиллиметровом диапазоне длин волн, основанных на фурье-спектроскопии прошедшего или отраженного излучения и на более универсальной технике спектроскопии с разрешением по времени, позволяющих исследовать спектры поглощения веществ, а также спектральные характеристики ан-

1 Результаты работы частично были представлены И.И. Гундаревой на Конкурсе молодых ученых им. И.В. Анисимкина ИРЭ РАН 2008 г. Работа заняла 1-е место.

тенн и полупроводниковых приборов [6-10]. Эти методики требуют использования внешних источников электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот или ультракоротких импульсов излучения оптического диапазона.

Ранее предпринимались попытки использовать эффект Джозефсона для характеризации антенн [11], однако результатом явилось лишь определение резонансных частот, а не восстановление спектральных зависимостей антенн. В описываемой ниже методике ДП является одновременно источником, приемником и анализатором спектра и находится в непосредственной близости от исследуемого объекта или присоединен к нему. Зависящий от частоты адмиттанс исследуемого объекта может быть получен из измерения ВАХ перехода, модифицированной объектом. Малые размеры слабой связи (много меньше длины волны) позволяют анализировать частотную зависимость адмиттанса. В последнее время был достигнут значительный прогресс в разработке ДП из высокотемпературных сверхпроводников с параметрами, позволяющими расширить частотный диапазон джозефсоновской адмитансной спектроскопии в терагерцовую область [12].

В данной работе продемонстрировано использование джозефсоновской адмиттансной спектроскопии для исследования спектральных характеристик широкополосной логопериодической антенны в частотном диапазоне 50.700 ГГц. Логопериодиче-ская антенна представляется весьма подходящим объектом для проведения подобных тестовых измерений, поскольку на зависимости дифференциального сопротивления от напряжения ^д(У) ДП проявляется периодическая система особенностей, соответствующая структуре резонансов, определяемой геометрией антенны.

выделение непосредственно нз статических ВАХ весьма затруднительно из-за значительных 1// шумов в переходах из высокотемпературных сверхпроводников [14]. Поэтому для более точного получения быстро меняющейся части 8У(Г) можно на высокой частоте измерить зависимость дифференциального сопротивления от тока Яд(Г), вычесть из него медленно меняющуюся компоненту, после чего вычислить изменение напряжения 8У(Г):

Рис. 1. Джозефсоновский переход (1) с интегрированной логопериодической антенной из YBa2CuзO7 _ х (2) на бикристаллической подложке из NdGaOз (3); штриховой линией обозначена бикристаллическая граница (а). Широкополосная логопериодическая антенна (б).

1. ДЖОЗЕФСОНОВСКАЯ АДМИТТАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Предположим, что отклонение ВАХ У(Г) джо-зефсоновского перехода от характеристики, вычисленной согласно резистивной модели [1] У0(Г) мало и влияние физических механизмов, вызывающих это отклонение, может быть учтено в виде внешнего сосредоточенного элемента с частотно-зависимым адмиттансом Увн(/), соединенного параллельно с ДП. В таком приближении можно рассматривать электромагнитные потери в материалах ДП [13] и диэлектрической подложки, поверхностные волны в подложке, а также влияние внешней поглощающей среды или электромагнитной структуры, в частности, антенны. В этом случае, следуя [5], изменение вольт-амперной характеристики 8 У(Г) при измерении с заданным током Г можно описать следующим выражением:

8У(Г) = ЯН(ГЯН - ^[У^вУ/Н)], (1)

§ У (Г) = |§Яд (Г' )йГ.

(2)

где У = Ян(Г2 - Гк )1/2 - значение невозмущенного напряжения при данном токе Г, которое связано с частотой f соотношением Джозефсона У = к//2в, Гк -критический ток перехода, Ян - сопротивление перехода в нормальном состоянии. При получении (1) предполагалось, что Увн(/)Ян < 1, ^вн(0) = 0 и температура Т = 0.

Таким образом, из измерений изменения ВАХ можно определить зависимость действительной части адмиттанса внешнего элемента от частоты. Если в качестве невозмущенной ВАХ использовать У0(Г), то полученная зависимость ReFвн(/) может содержать различающиеся по величине и скорости изменения составляющие, относящиеся к различным физическим механизмам. Наряду с медленно меняющейся с изменением частоты компонентой, связанной обычно со свойствами ДП, может существовать быстро меняющаяся и существенно меньшая по величине составляющая, связанная, в частности, с резонансной структурой внешней цепи. Ее

Следует также учесть, что уравнение (1) получено без учета тепловых флуктуаций тока квазичастиц и не применимо при напряжениях меньше соответствующего максимуму Яд, поэтому интегрирование в (2) производится от некоторого значения тока Г0 > Гк, которое выбирается таким, чтобы можно было пренебречь влиянием флуктуаций на Яд.

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И АНТЕННА

Для измерения спектральных характеристик логопериодической антенны использовали тонкопленочный ДП на основе пленки YBa2Cu3O7 - х на бикристаллической подложке NdGaO3 с вертикальными осями [001] (рис. 1а) [15].

Геометрия широкополосной планарной антенны (рис. 16) была разработана таким образом, чтобы удовлетворять условию Рамсея [16], т.е. форма антенны должна зависеть только от угловой координаты, и условию Бабине-Букера [17], т.е. антенна должна совпадать со своим дополнением. При этом вместо обычной прямоугольной модуляции краев антенны мы использовали синусоидальную модуляцию [18].

Антенна имеет по 25 вибраторов с каждой стороны плеча. Ее логопериодическая геометрия определяется следующими правилами:

Я

п +1

Яп

= т,

Яп

= л/Т,

(3)

где т = 1.25, максимальный и минимальный радиусы соответственно равны Ямакс = 1000 мкм, Я0 = 5 мкм.

Кроме того, антенна удовлетворяет условию Рамсея, если

11 ф = ф 0 + а sin

2 2 ф = ф 0 + а sin

а ^

0

а ^ (т.

(4)

где г0 = Я07Т, ф1, 2 - углы, определяющие отдельные вибраторы с каждой из сторон, а, а, Я0 - параметры, задающие геометрию антенны.

Г

Г

о

ДЖОЗЕФСОНОВСКАЯ АДМИТТАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ХАРАКТЕРИСТИК 1383

V, мВ

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика (1) и зависимость дифференциального сопротивления джозефсоновского перехода (2) от напряжения при температуре Т = 4.5 К.

максимальное отклонение измеренной кривой от расчетной составило 2%.

На рис. 3 приведены зависимости ^д(У) при температурах 4.5 и 70 К. В обоих случаях наблюдается повторяющаяся система особенностей, положение которых на оси напряжений не зависит от температуры. Это указывает на связь особенностей на зависимостях ^д(У) скорее с внешними геометрическими резонансами, чем с процессами в самом переходе.

Действительная часть адмиттанса антенны с джозефсоновским переходом (рис. 4, кривая 1) была получена из данных измерений ВАХ при Т = 4.5 К согласно (1). Мы предполагаем, что основной вклад в нее вносят потери в материале антенны [19] и в области слабой связи [13], которые приводят к медленно меняющейся зависимости на масштабе частот 100 ГГц.

На фоне медленно меняющейся в зависимости от частоты компоненты на данной кривой также наблюдается быстро осциллирующая составляющая с существенно меньшей амплитудой. Для ее исследования использовались данные измерений Яд(У). Действительная часть адмиттанса вычислялась согласно (1) с использованием (2). На кривой 2 рис. 4 приведена

быстро меняющаяся часть Яе[У(/) _ У ]. В связи с тем, что измерения проводились при конечной температуре, в у наряду с медленной составляющей адмиттанса включена погрешность, связанная с конечностью нижнего предела интегрирования в (2). Геометрическая форма антенны обеспечивает периодическую

Антенна была сформирована из эпитаксиальной пленки УВа2Си307 _ х, напыленной на бикристалличе-ской подложке из Шва03 (рис. 1а) и возбуждалась колебаниями, генерируемыми в ДП. Для проведения измерений подложку с антенной и джозефсоновским переходом монтировали в криогенную вставку и помещали в сосуд Дьюара. В режиме заданного тока

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком