Институт физики микроструктур РАН

Институт физики микроструктур РАН

Институт физики микроструктур РАН

ИФМ РАН Российская академия наук

ГСП-105, Нижний Новгород, РОССИЯ. Тел.: (83 Факс: (83 E-mail: *****@ http://www. ipm. *****/rus/

Основные разработки в области сверхпроводимости сосредоточены в 5-ти отделах ИФМ РАН - физики сверхпроводников; физики полупроводников; технологии гетероструктур; технологии тонких пленок и технологического оборудования; отделе физики поверхности, границ раздела и многослойных структур. Основные направления научных исследований:

-  пассивные СВЧ устройства,

-  элементы сквид-магнитометрии,

-  структуры “ВТСП-сегнетоэлектрик”,

-  структуры НТСП–наномагнетики,

-  многослойные структуры сверхпроводник-полупроводник (типа Mo/Si),

-  физические принципы генерирования и приема СВЧ излучения в джозефсоновских контактах,

-  ВТСП СВЧ электроника,

-  ВТСП и НТСП в сильных СВЧ полях,

-  нелинейные радиохарактеристики ВТСП СВЧ устройств.

Институт укомплектован современным технологическим и аналитическим оборудованием:

·  установка электронно-лучевого испарения;

·  установка магнетронного распыления для синтеза пленок YBCO на подложки диаметром до 50 мм (установка разработана и изготовлена в ИФМ РАН);

·  установка лазерного испарения для получения пленок YBCO на подложке диаметром до 25 мм;

·  комплекс фотолитографического оборудования;

·  вакуумное оборудование для осаждения металлических и диэлектрических слоев;

·  установка для измерения поверхностного сопротивления ВТСП пленок (разработана в ИФМ РАН на основе резонатора с параллельными пластинами, позволяет проводить контроль технологического процесса в режиме реального времени);

·  установка бесконтактного измерения критического тока и его распределения по площади пленки ВТСП (разработана в ИФМ РАН);

·  установка бесконтактного измерения нелинейных локальных свойств СП и их распределения по площади пленки (разработана в ИФМ РАН);

·  стенд для исследования радиохарактеристик ВТСП антенн в диапазоне до 2ГГц;

·  стенд для исследования приемных и шумовых характеристик ВТСП болометра в СВЧ и ДИК диапазонах;

·  стенд диапазона 40 ГГц для диагностики нелинейных СВЧ свойств ВТСП и для исследований возможностей компрессии СВЧ импульсов;

·  рентгеновский дифрактометр ДРОН-4;

·  электронный микроскоп JEM 2000 EX II с энергодисперсионным анализатором спектра;

·  Оже-спектрометр ЭСО-3;

·  масс-спектрометр вторичных ионов, ВИМС “Шиповник”;

·  парк персональных компьютеров;

·  гелиевые криостаты;

·  генераторы 2, 3 и 4 мм диапазонов;

·  супергетеродинные приемники с чувствительностью до пВт;

· 

установка для измерения магнитных характеристик ВТСП пленок и джозефсоновских структур с использованием холловских датчиков (разрешение ~50 мкм);

·  установка для тестирования ВТСП сквидов, сквид-магнитометры;

·  экранированная комната для проведения сверхточных измерений магнитных полей.

Администрация

Директор - член-корр. РАН

Подразделения и ведущие специалисты

Отдел физики сверхпроводников

Тел.: (83

E-mail: *****@

, член-корр. РАН - заведующий отделом

Отдел технологии тонких пленок

Тел.: (83
E-mail: *****@

- заведующий отделом

, к. ф.-м. н. - заместитель заведующего отделом

- заместитель заведующего отделом

Лаборатория сверхпроводниковой электроники

, д. ф-м. н. - заведующий лабораторией

, д. ф.-м. н. - ведущий научный сотрудник

Лаборатория математических методов и численного моделирования

	к. ф-м. н.	заведующий лабораторией
	д. ф.-м. н.	ведущий научный сотрудник
	д. ф.-м. н.	ведущий научный сотрудник
	д. ф.-м. н.	ведущий научный сотрудник
	д. ф.-м. н.	ведущий научный сотрудник
	к. ф-м. н.	старший научный сотрудник
	к. ф.-м. н.	старший научный сотрудник
	к. ф.-м. н.	старший научный сотрудник
	к. ф.-м. н.	старший научный сотрудник
		старший научный сотрудник
	к. ф.-м. н.	старший научный сотрудник
		научный сотрудник
		научный сотрудник
		младший научный сотрудник
		младший научный сотрудник
		младший научный сотрудник
		младший научный сотрудник
		младший научный сотрудник
		технолог первой категории
		младший научный сотрудник

Отдел физики поверхности, границ раздела и многослойных структур

Тел (83
E-mail: *****@

Заведующий отделом - член-корр. РАН

Отдел физики полупроводников

Тел.: (83

E-mail: *****@

Отдел технологии гетероструктур

Тел:(83

E-mail: *****@

Кооперации

ИФМ РАН

ИРЭ РАН (Москва) МАИ (Москва) Институт тонких пленок и ионной технологии Юлиха (Германия) Университет (Эрланген-Нюрнберг Германия) Университет (Гетеборг, Швеция) SRON (Грёнинген, Голландия) Университет (Йена, Германия)

Разработка сверхпроводниковых источников СВЧ излучения (100-600 ГГц) на основе длинных джозефсоновских контактов

результаты научных исследований
за последние пять лет.

, ,

В модели Гинзбурга-Ландау (ГЛ) с d+s параметром порядка теоретически исследована структура сингулярного вихря при произвольной ориентации магнитного поля относительно кристаллических осей слоистого сверхпроводника и получена угловая зависимость нижнего критического поля в плоскости CuO. Показано, что при отклонении магнитного поля от c-оси кристалла происходит смещение вихрей s-компоненты. Это приводит к нарушению тетрагональной симметрии вихревой нити и качественным изменениям в структуре s- компоненты параметра порядка. Теоретически и численно исследована структура несингулярных вихрей в ВТСП с d+s типом спаривания при ориентации поля вдоль оси c. В несингулярных вихрях нули d- и s- компонент параметра порядка не совпадают. Показано, что такие вихри становятся энергетически выгодными ниже определенной критической температуры, зависящей от параметров теории ГЛ. Исследованные вихри не обладают тетрагональной симметрией.

1.  J. Phys.:Condensed Matter. 2001, 13, pр.

2.  Phys. Rev. B. 2000, 62, pр.

В рамках теории Боголюбова-де Жена продемонстрировано, что эффект Ааронова-Бома оказывает определяющее влияние на структуру низколежащих возбуждений вблизи вихрей в высокотемпературных сверхпроводниках с d типом спаривания. Вычислена остаточная плотность состояний, возникающая за счет эффекта Ааронова-Бома вдали от вихря и обладающая тетрагональной симметрией. Предложен новый тип интерференционных экспериментов (основанных на эффекте Ааронова-Бома), которые могут быть использованы в качестве теста на анизотропное спаривание. На основе аналитического приближенного решения уравнений Боголюбова-де Жена развита зонная теория для низкоэнергетических состояний квазичастиц (с импульсами, лежащими вблизи направлений на нули параметра порядка) в вихревых решетках сверхпроводников с
d-типом спаривания. Показано, что периодический потенциал, создаваемый сверхтекучей скоростью, приводит к разбиению энергетического спектра на минизоны, существенно определяемые структурой вихревой решетки. Проанализированы особенности ван Хова и возможность их экспериментального наблюдения в ВТСП с помощью сканирующей туннельной спектроскопии. Предложено обобщение полуклассической модели для описания спектра с учетом усреднения потенциала сверхтекучей скорости в направлении нуля щели. Получены пространственные распределения локальной плотности состояний квазичастиц для различных типов вихревых решеток, проанализированы характеристики, измеряемые с помощью локальной туннельной спектроскопии (с учетом конечной температуры и рассеяния квазичастиц). Проанализировано влияние дефектов (как в Борновском, так и в унитарном пределах). Проведено сравнение расчетных характеристик локальной туннельной проводимости с экспериментальными данными в ВТСП.

1. 

Physica C, 1997, 282-287, p.

2.  Phys. Rev. Lett., 2001, 86, p.

3.  J. Phys.: Condens. Matter., 1999, 11, p.

4.  Physica B, 2000, 284-288, p. 781-782

5.  Письма в ЖЭТФ, 2000, 71, с. 472-476

, ,

Исследованы особенности структуры различных вихревых конфигураций в мезоскопических сверхпроводниках квадратной формы. Показано, что устойчивость вихревой конфигурации, образованной вихрями и антивихрями, сильно зависит от нарушений симметрии, вызванных наличием малых дефектов. Проведенные исследования влияния геометрии образцов на структуру вихревых состояний представляются важными для интерпретации фазовой диаграммы реальных мезоскопических систем.

- 

Phys. Rev. B 2002, 65, р.140503(R)

,

Проанализирована электронная структура мезоскопических сверхпроводников в магнитном поле. Изучено влияние конечной кривизны поверхности на краевые электронные состояния, индуцированные в магнитном поле. Рассмотрен сценарий появления аномальных веток энергетического спектра, связанных с проникновением вихрей в образец. Вычислена плотность состояний в многоквантовых вихрях и вихревых молекулах. Проанализированы различные механизмы проводимости мезоскопического сверхпроводника в направлении приложенного магнитного поля, определяемые как резонансным, так и нерезонансным туннелированием через электронные состояния в корах вихрей. Показана возможность управления когерентным транспортом через образец посредством изменения числа флуксоидов и их конфигурации. Проводимость образца в направлении магнитного поля определяется коэффициентом прозрачности вихревых состояний (многоквантовых вихрей и вихревых молекул), образующих квантовые каналы. Коэффициент прохождения каждого канала определяется процессами андреевского и нормального отражения от границ коров вихрей. Получаемая ступенчатая (или осциллирующая) зависимость проводимости от магнитного поля позволяет рассматривать мезоскопические сверхпроводники как квантовые переключатели, где роль управляющего напряжения играет магнитное поле.

1.  Nature. 2002, 415, pр. 60-62

2.  Phys. Rev. B. 2002, 65, р. 224514

, , J-G. Caputo, N. Flytzanis, N. Lazarides, E. Vavalis, A. Chiginev

Построена теория черенковского излучения электромагнитных волн вихрями, движущихся в джозефсоновских линиях передач с дисперсией. Определены условия возникновения и параметры излучения, изучено обратное влияние излучения на динамику вихрей. Показано, что взаимодействие вихрей с полем излучения приводит к их группировке в тормозящей фазе волны, обеспечивая когерентность вклада большого количества солитонов в излучение. Предложен новый тип джозефсоновского генератора микроволнового излучения, использующий эффект черенковского излучения движущихся вихрей и построена его теория.

1.  Phys. Rev. B, 1997, 55, р.11659

2.  J. Appl. Phys. 1999, 85, р. 7291

3.  J. Appl. Phys., 2000, 88, 4201

В. Курин, А. Юлин, Е. Голдобин, А. Клушин, H. Kolstedt, M. Левичев, N. Thyssen, A. Барышев, В. Кошелец, С. Шитов, A. Щукин, П. Дмитриев, Л. Филлипенко

Созданы экспериментальные образцы черенковских генераторов на основе длинных джозефсоновских контактов и пространственно периодических полосковых линий. Экспериментально доказан резонансный характер возбуждения прямой и обратной волн на первой и второй гармониках джозефсоновской частоты.

1.  IEEE Trans. Appl. Supercond. 1999, 9, Part 2, p. 3733,

2.  IEEE Trans. Appl. Supercond. 1999, 9, Part 2, p. 3737

3.  Supercond. Sci. Technol, 1999, 12, p. 967

A. П. Бетенев,

В рамках модели разреженной вихревой цепочки проведено теоретическое исследование шумовых характеристик джозефсоновского генератора, основанного на движении вихрей в длинном джозефсоновском контакте. Показано, что линия излучения имеет лоренцеву форму. Получены выражения, определяющие зависимость ширины линии излучения от тока смещения и внешнего магнитного поля.

1.  Phys. Rev. B, 1997, 56, р. 7855

, , A. Wallraff, A. Franz,
A. Ustinov

Теоретически предсказано и экспериментально обнаружено черенковское излучение электромагнитных мод шепчущей галереи двумерными вихрями, движущимися в кольцевых джозефсоновских переходах конечной ширины.

1.  Phys. Rev. Lett, 1998, 80, р.3372

2.  Phys. Rev. Lett., 2000, 84, р. 151

3.  Physica B, 2000, 284-288, р. 575

,

Теоретически и с помощью компьютерного моделирования исследована динамика вихрей в джозефсоновских сверхрешетках, встроенных во внешнюю волноведущую систему. Теоретически показана существование устойчивого, полностью когерентного синфазного движения вихрей в структуре, встроенной в полосковую линию с замедленной, по сравнению со скоростью Свихарта волной. Показано, что синфазный режим спонтанно устанавливается при увеличении тока смещения выше некоторого критического значения и сопровождается когерентным спонтанным излучением с интенсивностью пропорциональной квадрату числа джозефсоновских переходов.

2.  Phys. Rev. B. 2002, 66, р. 052510

E. E. Пестов, , A. A. Андронов, A. M. Cucolo, R. Monaco,
M. Boffa

Создана сканирующая ближнепольная СВЧ установка для наблюдения нелинейных свойств сверхпроводников с чувствительностью 10-14 Вт Гц-1 и разрешением 50 мкм. С ее помощью можно наблюдать дополнительные пики нелинейности в диапазоне температур 4.2-92 K в монокристаллах и пленках YBa2Cu3O7-x (которое интерпретируется как следствие присутствия других фаз), а также возникновение в магнитном поле второго пика нелинейности в пленках Nb.

1.  IEEE Trans. Appl. Supercond., 2001, 12, p. 131

Коммерческие разработки

ВТСП изделия

Наименование	Параметры	Состояние разработки
Двусторонние YBCO пленки (на подложках STO, NGO, YSZ, AlO/YSZ, LaO диаметром 50 мм)	Толщина 10-300 нм Неоднородность ~ 5% Тс0 до 92 К, Jc до7 МА/см2, Rs=0.25 мOм, l =250 нм (f=10ГГц, T=77 К)	Активные и пассивные криоэлектронные элементы Поставка по заказу
Структуры YBCO/PBCO/YBCO	Толщина барьера 5нм Jc барьера до 103А/см 2 Jc ~ 106 А/см2 (77К) в пленках I и II уровней	Сквиды Поставка по заказу
Структуры PZT/YBCO	Коэрцитивное поле – 7*104 В/см Остаточная поляризация Pr=25мкКл/см2 после 1010 циклов снижается на 50%	Поставка по заказу
Мишени состава YxBayCuzO7-d		Технология ВТСП пленок состава YBa2Cu3O7-d Поставка по заказу
Длинномерные ВТСП кристаллы YBa2Cu3O7-d в форме стержней, цилиндров		Сильноточная техника: ·  токовводы ·  элементы диамагнитных подвесов Прецизионные измерения: ·  экраны магнитных полей Поставка по заказу
Болометрические приемники СВЧ - ИК диапазонов	Болометр с выделенной тепловой мишенью Антенный микроболометр	Спектроанализаторы Макеты устройств Поставка по заказу
Приемо-передающие полосковые антенны	Частотный диапазон 2ГГц	Системы спутниковой и сотовой связи Радиометрия Макеты устройств
Технология создания решеток малых ферромагнитных частиц на СП мостиках и Джозефсоновских контактах (Nb).	Размер частиц ³100Å	Управление свойствами сверхпроводниковых пленок. Созданы лабораторные образцы.
Высокодобротный перестраиваемый ВЧ контур	Частотный диапазон: 8-100 МГц, ненагруженная добротность ~	Поставка по заказу.

Технологическое и измерительное оборудование

Наименование	Параметры	Область применения и состояние разработки
Автоматизированная установка измерения излучения и вольтамперных характеристик джозефсоновских контактов
Установка бесконтактного измерения распределения плотности критического тока в пленках c использованием датчиков Холла	jc >5*103 A/см2 T > 4.2 K Разрешение 100х50 мкм2 Время измерения 10 мин Время сканирования пленки 1х1 см2 – 60мин
Установка измерения поверхностного СВЧ сопротивления	T=77 K, F=10 ГГц 0,1 мОм< Reff< 150 мОм Точность измерения 20% Время измерения 20мин, включая охлаждение и нагрев образца
Сканирующий лазерный микроскоп	Пространственное разрешение лазерного луча (λ=0.53 мкм) от 3-5 мкм до 20-25 мкм t импульса = 10 нс Энергия излучения 1мДж Температура в диапазоне 78-100 K (± 0.01 К) Диапазон изменения транспортного тока 0-1 А с шагом 5 мкА	- Формирование произвольных структур на ВТСП пленках - Измерение локального критического тока - Измерение ВАХ - Визуализации образца на мониторе компьютера Поставлен в Институт тонких пленок и ионной технологии в Юлих (Германия)
Установка магнетронного распыления	Для пластин диаметром до 50 мм (на обе стороны).
Экспериментальный стенд больших мощностей диапазона 40 ГГц на основе квазиоптического резонатора		Материаловедение в интересах СВЧ применений ВТСП Макет устройства
Установка бесконтактного измерения нелинейных локальных свойств СП и их распределения по площади пленки	Чувствительность 10-14 Вт/Гц

Потенциальный рынок продукции

Радиоастрономия; системы спутниковой и сотовой связи; радиометрия; радиолокация; ускорители элементарных частиц; спектрометры; материаловедение; сильноточная техника - токовводы; прецизионные измерения - экраны магнитных полей.