• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Сверхпроводящие системы с высокой кинетической индуктивностью

2019

Главной задачей проекта является изучение эффекта большой кинетической индуктивности, который наблюдается в квазиодномерных сверхпроводниках малых сечений. Исследование имеет как самостоятельный научный интерес, так и - важное прикладное значение для различных высокотехнологичных применений в нано- и криоэлектронике. На настоящий момент открытым вопросом фундаментальной важности можно считать проблему частотной зависимости импеданса сверхпроводящего канала, определяемого кинетической индуктивностью. 
Для приложений, явление (большой) кинетической индуктивности может иметь как негативное, так и - положительное значение. Для широкого  класса сверхпроводящих устройств (детекторов электромагнитного излучения и/или логических элементов), большая индуктивность электрической цепи - нежелательный эффект, снижающий быстродействие системы.  Для наноэлектронных приложений, где требуется on-chip реализация стабилизации заряда (тока), большой импеданс подводящих цепей по высокой частоте -  крайне полезное явление.
На первом этапе проекта планируется изготовить и экспериментально исследовать импеданс-частотные характеристики нанопроводов из титана и сильнонеупорядоченых тонкопленочных сверхпроводников NbN и/или NbTi. Измерения будут проводиться при низких и сверхнизких температурах. Интерпретация результатов (расчет эквивалентной цепи) будет производиться как аналитическими, так и численными методами с использованием пакетов программ свободного доступа.
На втором году (этапе) оптимизированные высокоимпедансные элементы будут включены в гибридные наноэлектронные схемы и проведены измерения их вольт-амперных характеристик (ВАХ). Ожидается, что на ВАХ будет зарегистрирована кулоновская блокада в области малых смещений по напряжению, которая при больших смещениях и при наличии внешней высокочастоной накачки обнаружит квантованные ступеньки - дуальный эффект Шапиро. При этом предполагается, что из-за отсутствия в цепи резистивных  (диссипативных) элементов (и отсутствия соответствующего шума),  обозначенные сингулярности будут достаточно резкими.
Изучение свойств сверхпроводников мезоскопических размеров исключительно важно как с точки зрения фундаментальных вопросов физики конденсированного состояния, так и с точки зрения применения (или ограничений на применение) таких элементов в квантовых наноэлектронных устройствах нового поколения. Решение задач проекта предполагает исследования в  рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники РФ «Индустрия наносистем и материалов». Технологические наработки в рамках проекта внесут ощутимый вклад в развитие критических технологий РФ «Нанотехнологии и наноматериалы», «Технологии создания электронной компонентной базы» и «Технологии наноустройств и микросистемной техники». Главной задачей проекта является изучение эффекта большой кинетической индуктивности, который наблюдается в квазиодномерных сверхпроводниках малых сечений. Исследование имеет как самостоятельный научный интерес, так и - важное прикладное значение для различных высокотехнологичных применений в нано- и криоэлектронике. На настоящий момент открытым вопросом фундаментальной важности можно считать проблему частотной зависимости импеданса сверхпроводящего канала, определяемого кинетической индуктивностью. 
Для приложений, явление (большой) кинетической индуктивности может иметь как негативное, так и - положительное значение. Для широкого  класса сверхпроводящих устройств (детекторов электромагнитного излучения и/или логических элементов), большая индуктивность электрической цепи - нежелательный эффект, снижающий быстродействие системы.  Для наноэлектронных приложений, где требуется on-chip реализация стабилизации заряда (тока), большой импеданс подводящих цепей по высокой частоте -  крайне полезное явление.
На первом этапе проекта планируется изготовить и экспериментально исследовать импеданс-частотные характеристики нанопроводов из титана и сильнонеупорядоченых тонкопленочных сверхпроводников NbN и/или NbTi. Измерения будут проводиться при низких и сверхнизких температурах. Интерпретация результатов (расчет эквивалентной цепи) будет производиться как аналитическими, так и численными методами с использованием пакетов программ свободного доступа.
На втором году (этапе) оптимизированные высокоимпедансные элементы будут включены в гибридные наноэлектронные схемы и проведены измерения их вольт-амперных характеристик (ВАХ). Ожидается, что на ВАХ будет зарегистрирована кулоновская блокада в области малых смещений по напряжению, которая при больших смещениях и при наличии внешней высокочастоной накачки обнаружит квантованные ступеньки - дуальный эффект Шапиро. При этом предполагается, что из-за отсутствия в цепи резистивных  (диссипативных) элементов (и отсутствия соответствующего шума),  обозначенные сингулярности будут достаточно резкими.
Изучение свойств сверхпроводников мезоскопических размеров исключительно важно как с точки зрения фундаментальных вопросов физики конденсированного состояния, так и с точки зрения применения (или ограничений на применение) таких элементов в квантовых наноэлектронных устройствах нового поколения. Решение задач проекта предполагает исследования в  рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники РФ «Индустрия наносистем и материалов». Технологические наработки в рамках проекта внесут ощутимый вклад в развитие критических технологий РФ «Нанотехнологии и наноматериалы», «Технологии создания электронной компонентной базы» и «Технологии наноустройств и микросистемной техники». 

Публикации по проекту:


Lehtinen J. S. High dynamic resistance elements based on Josephson junction array // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2019
Lehtinen J. S., Wang Z. M., Arutyunov K. Towards quantum phase slip based standard of electric current // Applied Physics Letters. 2019. Vol. 114. No. 242601. P. 1-5. doi
Арутюнов К. Ю., Седов Е. А., Голоколенов И. А., Завьялов В. В., Константинидис Г., Ставринидис А., Ставринидис Г., Василиадис И., Кехагиас Т., Димитракопулос Г. П., Комнину Ф., Кроитору М. Д., Шаненко А. А. Квантовый размерный эффект в сверхпроводящих пленках алюминия // Физика твердого тела. 2019. Т. 61. № 9. С. 1609-1613. doi
Shein K., Emelyanova V., Logunova M., Zarudneva A., Zavyalov V., Arutyunov K. Kinetic inductance in superconducting microstructures // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2020. Vol. 33. P. 2325-2327. doi
Шеин К. В., Заруднева А. А., Емельянова В. О., Логунова М. А., Чичков В. И., Соболев А. С., Завьялов В. В., Lehtinen J. S., Сминов Е. О., Корнеева Ю. П., Корнеев А. А., Арутюнов К. Ю. Сверхпроводящие микроструктуры с высоким импедансом // Физика твердого тела. 2020. Т. 62. № 9. С. 1375-1378. doi
Shein K., Zarudneva A., Emel’yanova V., Logunova M., Chichkov V. I., Zavyalov V., Lehtinen J. S., Smirnov E. O., Korneeva Y., Korneev A., Arutyunov K. Superconducting Microstructures with High Impedance / Пер. с рус. // Physics of the Solid State. 2020. Vol. 62. No. 9. P. 1539-1542. doi
Arutyunov K., Sedov E., Golokolenov I., V. V. Zav’yalov, Konstantinidis G., Stavrinidis A., Stavrinidis G., Vasiliadis I., Kekhagias T., Dimitrakopulos G. P., Komninu F., Kroitoru M. D., Shanenko A. A. Quantum Size Effect in Superconducting Aluminum Films / Пер. с рус. // Physics of the Solid State. 2019. Vol. 61. No. 9. P. 1559-1562. doi
Arutyunov K., Lehtinen J. S. High dynamic resistance elements based on a Josephson junction array // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2020. Vol. 11. P. 417-420. doi