РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 9, с. 951-956
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 621.3
ДЖОЗЕФСОНОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПЛАНАРНЫХ РЕЗОНАТОРНЫХ СИСТЕМ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН
© 2015 г. О. Ю. Волков1, В. Н. Губанков1, 2, И. И. Гундарева1, 3, Ю. Я. Дивин1, 3, В. В. Павловский1, В. И. Покалякин1, А. В. Снежко1, 2
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, стр. 7 2Московский физико-технический институт (Государственный университет), Российская Федерация, 141700Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., 9 3Институт Петера Грюнберга Исследовательского центра Юлиха, Федеративная Республика Германия, 52425,Юлих E-mail: pvv@cplire.ru Поступила в редакцию 05.12.2014 г.
Представлены результаты исследования взаимодействия бикристаллического джозефсоновского перехода из УВа2Си307 _ х с внешними планарными резонаторами. Резонаторы миллиметрового диапазона длин волн квадратной формы с разрезами изготавливались на отдельных подложках и прикладывались к джозефсоновскому переходу. На зависимостях дифференциального сопротивления джозефсоновского перехода от напряжения наблюдались особенности, связанные с возбуждением резонансных мод, соответствующих половине длины волны, укладывающейся на среднюю физическую длину резонатора. Для двух резонаторов различных размеров были получены резонансные частоты 48.7 и 74.9 ГГц, а также величины добротностей 14 и 25 соответственно. Таким образом, была продемонстрирована возможность определения параметров внешних пассивных элементов СВЧ микроэлектроники из статических электрических характеристик джозефсоновского перехода.
DOI: 10.7868/S0033849415090120
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что статическая нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ) джозефсоновского перехода (ДП) формируется в результате усреднения по времени джозефсоновских колебаний и поэтому может видоизменяться под влиянием внешнего окружения с частотно-зависимыми электромагнитными характеристиками. Особый интерес это явление представляет в случае бикристаллических ДП из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). В таких ДП нестационарный эффект Джозефсона наблюдается при частотах до 5 ТГц, что позволяет исследовать резонансные явления в элементах терагерцовой фотоники и возбуждения в конденсированных средах. В частности, ранее были продемонстрированы характерные особенности на ВАХ бикристалли-ческих переходов, возникающие при взаимодействии ДП с присоединенными к нему резонаторами из отрезков микрополосковых линий [1, 2] и антенными структурами [3—5], а также при возбуждении оптических фононных мод в ВТСП [6].
Динамика бикристаллических ДП из ВТСП с высокой точностью описывается резистивной моделью [7], что позволяет, используя результаты измерений статических характеристик ДП, восстанавливать частотные характеристики объектов, взаимодействующих с ДП. В ранее опубликованных работах [1—5] исследовались резонансные микроструктуры, интегрированные с ДП и изготовленные на общей подложке в последовательных технологических циклах. Слабая связь, возникающая на бикристаллическом шве, крайне чувствительна к внешним воздействиям, поэтому дополнительные технологические операции, связанные с интеграцией резонансной структуры с ДП, с высокой вероятностью изменяют параметры самого ДП. Представляет интерес возможность исследовать взаимодействие ДП с внешними объектами, в частности, с планарными структурами, сформированными на отдельных подложках. В данной работе представлены результаты исследования взаимодействия ДП с открытыми планар-ными резонаторами миллиметрового диапазона длин волн.
Рис. 1. Расположение резонаторов относительно джозефсоновского перехода (а), расположение диэлектрических и металлических слоев (б).
1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Для изготовления джозефсоновского перехода использовалась эпитаксиальная тонкая пленка УВа2Си307 _ х толщиной 270 нм, которая была получена с помощью оптимизированного распыления УВа2Си307 _ х в атмосфере кислорода высокого давления [8] на бикристаллическую подложку из (001) М§0 (углы разориентации 2 х 18° в плоскости (001)). Джозефсоновский переход был сформирован с помощью УФ-литографии в виде мостика шириной 4 мкм, пересекающего бикристал-
лическую границу в подложке, и симметричных подводящих электродов секторальной формы (рис. 1а). Сопротивление ДП в нормальном состоянии Я„ равнялось 0.63 Ом. Секторальная форма подводящих электродов обеспечивала гладкую частотную зависимость их импеданса при частотах выше 10 ГГц.
В работе были использованы планарные резо-наторные системы, состоящие из двух симметричных квадратных резонаторов с разрезами. Резонаторы сформированы из тонкопленочных образцов меди толщиной 600 нм, полученных
термическим распылением на сапфировую подложку и покрыты тонким слоем полиметилмета-крилата (РММА) для исключения электрических контактов резонаторов с ДП. Резонаторные структуры накладывались на ДП.
Взаимное расположение резонаторов и ДП представлено на рис. 1а, 1б. Емкостные связи, возникающие в областях перекрытия резонатора с подводящими электродами ДП, обеспечивали взаимодействие резонатора с ДП. В такой геометрии обеспечивается направление приложенного электрического поля, необходимое для возбуждения ХС-моды [9]. Использовались два резонатора с разными размерами: резонатор 1 — длина внешней стороны авнеш = 366 мкм, длина внутренней стороны авнут = 254 мкм, и резонатор 2 — соответственно 233 и 162 мкм. Размеры резонатора 2 были получены масштабированием размеров резонатора 1 с коэффициентом кт = 0.637. Сборка из ДП и резонансная структура были смонтированы в криогенной вставке и помещены в сосуд Дьюара с жидким гелием. В режиме заданного тока измеряли ВАХ У(1) ДП и зависимость его дифференциального сопротивления от тока Ятф(1) в диапазоне температур 4.5...90 К. Калибровку напряжения (и, соответственно, частоты) производили по ступеням Шапиро с периодом 150 мкВ, возникавшим на ВАХ ДП при воздействии электромагнитного излучения с частотой 72.54 ГГц от генератора Г4-142. Оптимальный частотный диапазон измерений выбирался варьированием критического тока ДП 1С с помощью изменения температуры и магнитного поля, которое создавалось электромагнитом и изменялось в пределах от 0 до 150 Гс. Для анализа данных использовался численный расчет ВАХ и ^диф(^ ДП, взаимодействующего с резонаторами.
Расчет проводили на основе расширенной ре-зистивной модели [7], включающей в себя: 1) эквивалентную схему резонаторной структуры в виде последовательного ВХС контура, и эквивалентную схему ДП, которая учитывает широкополосное поглощение электромагнитного излучения ДП и материалом подложки, 2) возможность возбуждения резонансных мод, связанных с геометрией подложки и соединительной структуры, 3) существование различных возбуждений в области слабой связи, в частности, резонансов Фиске. Тепловые флуктуации тока нормальных квазичастиц учитывались введением источников шумовых токов, связанных с каждым из резистивных элементов. Полученная система стохастических дифференциальных уравнений решалась численно [10]. Параметры эквивалентной схемы определяли с помощью подгонки рассчитанных характеристик к измеренным. Данные параметры были использованы для вычисления резонансных частот и оценки добротностей резонаторов.
(а)
0 20 40
60 80 100 120 140 V, мкВ
(б)
0 20
40
60 80 V, мкВ
100 120 140
Рис. 2. Зависимости от напряжения дифференциального сопротивления автономного (а) и взаимодействующего с резонаторной структурой (б) джозефсонов-ского перехода при температурах 50 (1), 60 (2), 70 К (3).
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 представлены зависимости -Кдиф(Р) автономного ДП (а) и ДП, взаимодействующего с резонатором 1 (б), при трех значениях температуры. Взаимодействие с резонаторами приводит к появлению особенности в окрестности напряжения V. = 99 мкВ. Согласно соотношению Джозеф-сона^ = 2вУг/Н, где е — заряд электрона, а к — постоянная Планка, этому напряжению соответствует частота = 47.8 ГГц. При снижении температуры наблюдается увеличение Ятф(Уг), что приводит, с одной стороны, к увеличению амплитуды особенности из-за улучшения согласования ДП с резонатором, а с другой — к уширению особенности вследствие увеличения ширины ли-
нии джозефсоновской генерации 8/, которая определяется следующим выражением [11]:
8/ = 8/0(1 + 3У//2У2),
(1)
где Ус = 1СЯ„ — характерное напряжение джозефсо-новского перехода, 8/0 = 4я(2е/й)2кТКи — ширина джозефсоновской генерации при V > УС. Здесь к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура.
Следует отметить, что при достаточно хорошем согласовании резонатора с ДП ширина линии генерации на частоте резонатора может уменьшаться [7], так что выражение (1) можно рассматривать как оценку сверху. В данном случае V, = 82 мкВ при Т = 70 К, Vс = 170 мкВ при Т = 60 К и V, = 258 мкВ при Т = 50 К, чему соответствуют значения 8/ = 3.5, 8.0 и 13.7 ГГц. Как следует из рис. 2б, из-за этого наблюдается существенное уширение особенности при достаточно малой ее амплитуде с понижением температуры. Ранее было показано [5], что это обстоятельство можно преодолеть варьированием величины критического тока при низкой температуре с помощью внешнего магнитного поля, поэтому для более детального исследования наблюдаемой особенности были получены зависимости ^диф(^ ДП при Т = 5 К. В отсутствие внешнего магнитного поля величина критического тока 1с0 составляла 1.3 мА. Варьированием магнитного поля она подбиралась таким образом, чтобы обеспечить максимальную амплитуду наблюдаемой особенности. На рис. 3а представлены результаты измерений ^диф( V) ДП с резонатором 1 при 1С = 450 мкА, а также результат расчета ^диф( V) в соответствии с методикой, изложенной в работе [10]. Особенность в окрестности напряжения 99 мкВ, связанная с резонаторной структурой, в расширенной резистивной модели описывается введением последовательного Л£С-контура с резонансной частотой /г1 = 48.7 ГГц, добротностью Q1 = 14.3 и сопроти
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.