• Терагерцовая электроника и фотоника на основе высокотемпературных сверхпроводящих наноструктур

  Руководитель направления Дивин Юрий Яковлевич вед. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

  Развитие информационных и коммуникационных технологий требует расширения частот электромагнитного излучения вплоть до ранее неосвоенного терагерцового (ТГц) диапазона. Однако, эффективности традиционных электронных СВЧ- и фотонных ИК-устройств падают в ТГц-диапазоне, поскольку либо период ТГц-колебаний становится меньше характерных времен носителей заряда, либо энергия кванта фотона в ТГц-диапазоне оказывается меньше, чем тепловая энергия. Продвижение полупроводниковых электронных и фотонных устройств в ТГц-диапазон часто сопровождается их охлаждением до весьма низких температур. Это обстоятельство позволяет равноправно рассматривать применимость в ТГц-диапазоне и сверхпроводниковых устройств. Сверхпроводниковые туннельные переходы характеризуется сильной динамической нелинейностью между электрическим током и напряжением, что, при использовании традиционных сверхпроводников, уже нашло свое применение в суб-ТГц приемно-передающей электронике и в квантовых компьютерах. В данной лаборатории разрабатываются физические основы детектирования и спектроскопии излучения на основе нелинейной динамики джозефсоновских переходов. С 1987 года проводятся фундаментальные исследования по технологии и физике наноструктур из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). В рамках соглашения о научном сотрудничестве (1993-2018) между ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и Исследовательским центром г. Юлиха (ФРГ) разработаны бикристаллические ВТСП переходы из YBa₂Cu₃O_7-x пленок с джозефсоновской генерацией при частотах вплоть до 5,2 ТГц. Исследуются механизмы детектирования электромагнитных сигналов YBa₂Cu₃O_7-x переходами с джозефсоновскими энергиями, сравнимыми с тепловой энергией. Достигнуты рекордные чувствительности NEP = 10^-14 Вт/Гц^1/2 и NET < 30 мК/Hz^1/2 для YBa₂Cu₃O_7-x переходов при 50K. Продолжается разработка оригинальных методов джозефсоновской адмиттансной спектроскопии и гильбертовского спектрального анализа для исследования in situ спектров поглощения в ВТСП наноструктурах и спектров излучения из полупроводниковых гетероструктур. Проводимые исследования могут привести к расширению рабочих частот ВТСП наноструктур, их использованию в электронике и фотонике вплоть до всего ТГц диапазона. Также исследование нелинейной ТГц динамики ВТСП наноструктур позволит продвинуться и в понимании физической природы ВТСП.

• Квазиодномерные проводники с волнами зарядовой плотности (ВЗП) и другие низкоразмерные соединения

  Руководитель направления Покровский Вадим Ярославович г.н.с., д.ф.-м.н эл. почта: [email protected]

  
  

  Основные направления исследований: взаимодействие ВЗП с ВЧ-СВЧ полями, электромеханические свойства квазиодномерных проводников, в том числе, высокочастотные, а также фотоэлектрические и структурные свойства.

• Проведены аналитические и численные расчеты предельных характеристик детекторов электромагнитного излучения на основе джозефсоновских переходов, которые описываются простой резистивной моделью и имеют джозефсоновскую энергию, сравнимую с энергией тепловых флуктуаций. Установлены режимы работы таких переходов в качестве классического детектора, использующего выпрямление переменного тока на нелинейной вольтамперной характеристике. Проведено сравнение результатов численных и аналитических расчетов и показано, что анализ и оптимизацию классического режима детектирования можно проводить на основе выведенных аналитических выражений. Указано на возможность достижения предельной чувствительности до 2×10^–15 Вт/Гц^1/2, динамического диапазона по мощности 10⁵-10⁶, и спектрального диапазона до 1.4 ТГц при использовании новых джозефсоновских ВТСП переходов, состоящих из YBa₂Cu₃O_7–x тонких пленок со взаимнонаклоненными осями c, в температурном интервале (50÷77) К.

  Публикации:
  
  • В.В. Павловский, Ю.Я. Дивин. Предельные характеристики классического джозефсоновского детектора. Радиотехника и электроника, том 64, № 9, с. 932–940 (2019).

• Экспериментально исследованы механизмы детектирования в джозефсоновских переходах с энергиями E_j, сравнимыми с тепловыми энергиями kT. Электрические отклики YBa₂Cu₃O_7-x бикристаллических переходов к монохроматическому излучению с частотами f в диапазоне от 94 ГГц до 3,1 ТГц можно описать в терминах классического выпрямления на нелинейной ВАХ при низких частотах и частотной модуляции переменного тока Джозефсона на высоких частотах. Достигнута величина мощности, эквивалентной электрическому шуму, NEP = 10^-14 Вт/Гц^1/2 для квадратичного классического детектирования переходами при 50 К. Обнаружено влияние теплового излучения на ВАХ YBa₂Cu₃O_7-x бикристаллических переходов и показано, что величина предельной температурной чувствительности NET составляет менее 30 мК/Гц^1/2. Основной вклад в данный эффект вносит взаимодействие между классическим и джозефсоновским механизмами детектирования. Поведен численный расчет спектральных и мощностных зависимостей электрических откликов джозефсоновских переходов в рамках резистивной модели при различных значениях kT/E_j, и показано, что результаты находятся в согласии с экспериментальными данными. Эта работа прокладывает путь для продвижения высокоэффективного широкополосного детектирования с помощью ВТСП джозефсоновских переходов вглубь терагерцового диапазона.

  Публикации:
  
  • V. V. Pavlovskiy, I. I. Gundareva, O. Y. Volkov, and Y. Y. Divin. “Wideband detection of electromagnetic signals by high-Tc Josephson junctions with comparable Josephson and thermal energies.” Appl. Phys. Lett. 116, 082601 (2020).

• Исследовалось применение ВТСП джозефсоновских переходов для широкополосной спектральной характеризации электромагнитного излучения от ТГц квантовых каскадных лазеров (ККЛ), расположенных на той же криопанели, что и ДП. Для измерения и интерпретации спектров излучения ККЛ от нескольких десятков ГГц до 2,5 ТГц использовались методы частотно-селективного джозефсоновского детектирования с гильбертовским спектральным анализом и классического детектирования в бикристаллических YBa₂Cu₃O_7-x переходах. Доминирующая часть в измеренных спектрах концентрировалась вблизи расчетной частоты 2,2 ТГц и включала несколько линий с частотами пространственных мод в ККЛ. Обнаружено, что в дополнение к ожидаемому излучению на частоте 2,2 ТГц ККЛ спектры демонстрируют низкочастотную часть с частотами f <400 ГГц и промежуточную область с ростом интенсивности для частот от 500 ГГц до 2 ТГц. Интенсивности и спектральный состав трех частей немонотонно зависят от тока инжекции ККЛ. Мы интерпретируем восстановленные спектры как проявление нелинейных эффектов 2-го и 3-го порядков в активном объеме QCL. По сравнению с традиционными методами, гильбертовским спектральный анализ с ВТСП ДП обладает преимуществами, так как работает в частотном пространстве, а также в расширенном диапазоне частот, включая терагерцовые, субтерагерцовые и гигагерцовые частоты нелинейной динамики ККЛ.

  Публикации:
  
  • O. Volkov, V. Pavlovskiy, I. Gundareva, R. Khabibullin, and Y. Divin. “In Situ Hilbert-Transform Spectral Analysis of Pulsed Terahertz Radiation of Quantum Cascade Lasers by High-Tc Josephson Junctions." IEEE Trans. Terahertz Science and Technology, vol. 11, pp. 330 – 338 (2021).
  • O. Volkov, V. Pavlovskiy and Y. Divin, "Application of High-Tc Josephson Detectors for Spectral Characterization of THz Quantum Cascade Lasers." IEEE Trans. Applied Superconductivity, vol. 32, 2300105 (2022).

• С помощью гильбертовского спектрального анализа и джозефсоновских YBa₂Cu₃O_7-x переходов обнаружены субтерагерцовые спектральные линии в излучении GaAs/AlGaAs ККЛ, работающих в режиме свободной генерации около 3 ТГц. Мощность W(f_d) отдельной субтерагерцовой линии на частоте f_d оказалась прямо пропорциональна произведению мощности W(f_i)×W(f_k) соответствующей пары ТГц линий, имеющих разность частот f_i - f_k=f_d. Установленное соответствие каждой субтерагерцовой линии и парной комбинации терагерцовых линий доказывает нелинейный механизм генерации разностной частоты (ГРЧ) в активной области ККЛ. Эффективности преобразования W(f_i -f_k)/[W(f_i)×W(f_k)], оцененные по экспериментальным данным, составляют около 4×10^-3 и 5×10^-5 Вт^-1 для субтерагерцовых линий на частотах 132 и 310 ГГц, соответственно. Полагая нелинейную поляризацию активных областей ККЛ в качестве причины ГРЧ, мы оценили следующие значения нелинейной восприимчивости второго порядка χ⁽²⁾(132 ГГц) ~ 7×10⁵ пм/В и χ⁽²⁾ (310 ГГц) ~ 4×10⁴ пм/В из экспериментальных данных. Полученные результаты открывают возможность использования ТГц ККЛ в качестве источников субтерагерцового излучения.

  Публикации:
  
  • O.Y. Volkov, I.N. Duzhikov, R.A. Khabibullin, A.N. Baranov, and Y.Y. Divin. Subterahertz difference-frequency generation in terahertz quantum cascade lasers. Appl. Phys. Lett., vol.121, 263504 (2022).

• Недавно был продемонстрирован спектральный анализ терагерцового (ТГц) и суб-ТГц излучения из квантовых каскадных лазеров с использованием традиционных бикристаллических джозефсоновских переходов, изготовлены из тонких с-ориентированных YBa₂Cu₃O_7-x пленок. Джозефсоновские частоты альтернативных бикристаллических YBa₂Cu₃O_7-x переходов с взаимнонаклоненными с-осями простираются дальше в ТГц-диапазон. Однако эти ТГц колебания могут ослабевать из-за новых каналов поглощения в окружающей среде перехода. В данной работе, используя адмиттансную джозефсоновскую спектроскопию, мы исследовали терагерцовые потери в бикристаллических YBa₂Cu₃O_7-x переходах с взаимнонаклоненными с-осями. Поглощение оказалось максимальным при воспроизводимом наборе ТГц частот, близких к частотам коллективных мод в объемных образцах YBa₂Cu₃O_7-x с различным содержанием кислорода, полученным с помощью Фурье-спектроскопии. Отжиг переходов в атомарном кислороде снижал потери на частотах 2,7 и 3,6 ТГц, а потери на частотах 2,3 и 4,6 ТГц возрастали. Таким образом, для работы в качестве ТГц спектрального бикристаллические YBa₂Cu₃O_7-x переходы требуют корректировки содержания кислорода после изготовления. Кроме того, на частотах около 4,6 ТГц появляется тонкая структура спектра поглощения. Значительное поглощение около 2,3 ТГц может быть обусловлено эффектами, связанными со второй джозефсоновской гармоникой в переходах или нелинейностью второго порядка в восприимчивости YBa₂Cu₃O_7-x. Эта работа прокладывает путь к исследованию коллективных мод в ВТСП материалах in situ с использованием джозефсоновских колебаний.

  Публикации:
  
  • Y. Divin. Terahertz Absorption Spectroscopy in Bicrystal Josephson Junctions Formed from Mutually Tilted c-Axes YBa₂Cu₃O_7-x Films. Appl. Sci. Vol. 13(9), 5766 (2023).

Основные достижения за последние пять лет участники направления «Терагерцовая электроника и фотоника на основе высокотемпературных сверхпроводящих наноструктур» получили в сотрудничестве с Институтом П. Грюнберга Исследовательского центра г. Юлиха (ФРГ), Институтом сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова РАН и Институтом электронных систем Университета г. Монтпелье (Франция).