超导约瑟夫森结物理参数的实验推算

超导约瑟夫森结是实现超导量子计算和微波单光子探测的核心器件,其物理参数很难直接测定.与之前常用的测量结微波激励效应估计方法不同,本文通过实验测量低频电流驱动下的约瑟夫森结Ⅰ-Ⅴ曲线及其跳变电流统计分布,并与基于标准电阻电容分路结模型数值模拟进行比对,推算出了约瑟夫森结的临界电流I_c、电容C、电阻R及阻尼参数β_c等物理参数.结果表明,所推算的参数值与基于微观理论推导所得到的Ambgaokar-Baratoff公式基本符合,可供约瑟夫森结的器件参数按需设计和制备工艺的参数设置等参考.     

超导约瑟夫森结在外光场下的数-相压缩效应

以约瑟夫森结为主要元件的量子计算机有广阔的应用前景.本文用纠缠态表象对超导约瑟夫森结进行研究,不但可以展现约瑟夫森结的隧穿电流,还能给出库珀对数-相的不确定关系.此基础上,探讨在外光场作用下约瑟夫森结的数-相压缩效应,即约瑟夫森结中的位相和库珀对数目的变化.同时推导出外光场作用下约瑟夫森结中的超导电流以及库珀对数-相所满足的不确定关系.     

全电流超导隧道结电子模拟器

本文描述的电子模拟器完整地模拟了超导隧道结中的各项隧道电流,它包含了频率、温度和超导能隙的影响,并考虑了非线性准粒子电阻和电抗项的作用.论文简述了电子模拟器的基本原理、电路,给出了恒压源与恒流源两种偏置条件下的直流与交流 I-V 特性,还得到了上述两种偏置条件下的约瑟夫逊台阶及光子辅助的准粒子隧道效应台阶等高频行为.     

直流偏置的与RLC谐振器耦合的约瑟夫森结动力学行为的数值模拟

用数值模拟方法研究一种直流偏置的与RLC电路耦合的约瑟夫森结的动力学行为.数值模拟发现,选择合适的偏置电流,系统表现出周期三与混沌共存的动力学现象.给出了相应吸引子,吸引域的几何结构.对该系统的动力学研究为约瑟夫森器件稳定工作提供了有价值的参考 关键词： 约瑟夫森结 混沌 吸引子 吸引域 庞加莱截面 李雅谱诺夫指数     

微波场中Josephson结的微波发射与吸收研究

采用数值仿真方法,研究微波场中约瑟夫森结微波感应台阶处的功率特性。发现微波场中约瑟夫森结不止吸收辐射,也发射辐射的情况。得到微波辐照和结电阻对功率吸收和发射的影响规律。结果表明,处于发射功率的状态对应的偏置电流范围占整个台阶总电流范围的比例可以趋于50%。这一发现对约瑟夫森结理论和应用研究具有重要的意义。     

集成滤波器结构的可调超导微波谐振腔

在超导微波谐振腔耦合量子比特的杂化器件中, 可利用超导材料动态电感随直流电流变化的特性, 调节谐振腔的频率, 进而匹配量子比特的频率. 为抑制引入直流偏置电极导致的微波信号泄漏, 在可调腔中加入滤波器是一种有效的方案. 本研究以滤波器为切入点, 运用计算机模拟, 开发了原有“王”字型滤波器新的工作模式, 并在实验上制作了可调超导微波谐振腔. 测试结果表明, 谐振腔的品质因子可达7800, 阻抗约1700 欧姆, 谐振腔的频率可随直流电流发生明显变化, 最大变化量可达26 MHz.     

约瑟夫森结跳变电流在微波辐照下的分布

在16 mK的极低温下,我们对电流偏置的Nb/AlOx/Nb结进行了跳变电流统计分布的测量.在没有外加微波的辐照时,分布曲线只有一个峰;在有外加微波的辐照时,其跳变电流的统计分布除了基峰外,会出现谐振峰,形成双峰结构.该谐振峰的位置和结的量子化的能级相关,其高度随外加微波功率的改变而改变.研究约瑟夫森结跳变电流在微波辐照下的分布,对于研究超导量子比特的能级量子化、Rabi振荡等具有重要的意义.     

T=0.72Tc全电流超导隧道结电子模拟器

本描述了电子模拟器模拟了工作温度Ｔ＝０．７２Ｔｃ时超导隧道电流，它不仅包含了频率，能隙以及非线性准粒子隧道电流中电阻和电抗项的作用，还考虑了非零温度的影响。给出了恒压源与恒流源偏置条件下的直流与交流Ｉ－Ｖ特性，还给出了上述两种偏置条件下约瑟夫孙台阶及光子辅助的准粒子台阶与外加交流电压及频率间关系。     

高温超导双晶结混频器噪声系数测量

噪声系数(Noise Figure,NF)是超导混频器的一个重要参数,是衡量超导混频器内部噪声、影响混频器灵敏度的一个重要指标.实验基于小型脉冲管制冷系统,搭建高温超导约瑟夫森双晶结混频器噪声系数自动测量系统,工作温度为60K.Ar离子刻蚀工艺技术制备高温超导YBa2Cu3O7-δ(YBCO)/MgO约瑟夫森双晶结,通过Y-因子噪声测量法,测量YBCO/MgO约瑟夫森双晶结混频器的噪声系数.实验成功制备了特征电压约1mV的YBCO/MgO约瑟夫森双晶结,在650GHz信号辐照下,有明显的夏皮罗(Shapiro)台阶.在210GHz信号辐照下,进行30次谐波混频,约瑟夫森双晶结在不同偏置电压点中频输出信噪比变化范围约为30dB.在77K与300K不同输入噪声功率下,测得双晶结混频器噪声系数最小值为10dB,偏置电压在300μV.     

约瑟夫森结与阵列的非线性混沌行为及研究进展

约瑟夫森结是一种利用超导材料制备的新型量子电子器件,它的一个显著特性是具有高度的非线性,因而会出现明显的混沌行为。约瑟夫森结与阵列的混沌行为具有重要的研究和应用价值,受到了广泛的关注。文中对约瑟夫森结与阵列的非线性混沌行为及研究进展做一些介绍。     

电流激励下两带单结超导环的电磁性质研究

在两带Ginzburg-Landau理论基础上,我们研究了在电流激励情形下两带单结超导环的电磁性质.两带超导环中可引入的两个超导序参量的相位差满足sine-Gordon方程,由该方程的孤立子解我们得到了单个超导结(微桥结构)两端相位差与总磁通之间的线性关系.通过微桥中电流与超导结两端相位差满足的非线性Josephson方程,建立了在电流激励下环内磁通与外加电流之间的依赖关系.我们的分析表明两带超导环中可能产生的孤立子解及分数磁通量子化现象可以通过测量单结超导环中的电磁性质加以验证.     

电阻电容分路的约瑟夫森结中阵发性混沌及混沌控制的计算机模拟

通过计算机模拟研究了电阻电容分路的约瑟夫森结中的混沌行为,给出了结电压随阻尼参数及偏置直流电流变化的分岔图,从而展示了混沌产生的方式及混沌出现的参数区间,并基于弱周期扰动理论提出了控制RCSJJ中混沌的方案,模拟结果证明了该方案的有效性.     

电子束曝光制备YBa_2Cu_3O_(7-δ)纳米级桥宽双晶结

传统的紫外线曝光难以制备微桥宽度不超过1微米的双晶约瑟夫森结.我们利用电子束曝光技术制备了纳米级别(几百纳米)桥宽YBa_2Cu_3O_(7-δ)双晶结,具有优良的电流-电压特性和微波响应特性.并分析60K温度下100纳米膜厚的双晶结微桥宽度的变化对结正常态电阻R_N、超导临界电流I_c、特征电压I_cR_N的影响规律.通过考虑结与外部微波电路的阻抗匹配、结检测太赫兹波灵敏度、超导电流大小对高次微波响应台阶影响以及结的特征电压四个因素,得到最佳的太赫兹波检测器中双晶结的微桥宽度为1微米左右.     

高临界电流密度NbN约瑟夫森结的制备和特性表征

我们开展了高临界电流密度的NbN约瑟夫森结的制备和特性研究.利用直流磁控溅射方法在单晶MgO(100)衬底上外延生长NbN/AlN/NbN三层膜,并使用微加工工艺制备了NbN约瑟夫森隧道结,在液氦温度下对NbN约瑟夫森结的电流-电压特性进行了测量,实验结果表明,NbN约瑟夫森结具有良好的隧穿特性,其临界电流密度J_c为10 kA/cm^2,质量因子大于10,能隙是5.7 mV,这些实验结果为基于NbN结的超导数字电路研究奠定了坚实的基础.     

并联电阻对串联约瑟夫森结阵列相位锁定的影响研究

利用约瑟夫森结阵列制作毫米/亚毫米微波源的一个重要问题是阵列中约瑟夫森结的相位锁定.本文采用仿真的方法研究了约瑟夫森结RCSJ模型存在并联电阻时的相位锁定问题.研究结果包括约瑟夫森结临界电流的不一致性、McCumber参数和结的个数对能够实现相位锁定的参数范围的影响.结果对于约瑟夫森结阵列作为太赫兹产生和检测应用具有重要意义.     

SrTiO3基片上Tl-2212双晶约瑟夫森结的动态特性及噪声影响研究

在SrTiO₃（STO）基片上制作了Tl-2212双晶约瑟夫森结,并对其进行了微波辐照下的I-V特性测试,观察到了夏皮罗台阶,符合约瑟夫森电压-频率关系.利用数值仿真对约瑟夫森结建立了RCSJ模型,仿真结果与实验数据符合较好,利用此模型深入研究了噪声对结动态特性的影响,解释了噪声影响下结的微波感应台阶幅度减小和极小值展宽现象,提出了有效噪声温度为工作温度和外部噪声的等效温度之和. 关键词： RCSJ模型 噪声 Tl-2212双晶约瑟夫森结     

串联SQUID和不同圈数Washer输入线圈SQUID的制备与表征（英文）

超导量子干涉放大器常被用于读出微弱的磁通以及电流信号,可以将微弱信号转化成为大的电压信号.但是对于单个超导量子干涉放大器而言,其输出电压太小不能直接与室温放大器相连,我们考虑将相同参数的超导量子干涉放大器串联到一起,使其输出电压足够大并达到可直接与室温放大器连接的要求.我们已经制备并测试了约瑟夫森结,过阻尼约瑟夫森结,不同输入线圈的单个超导量子干涉放大器以及既有调制线圈又有反馈线圈的串联超导量子干涉放大器,获得了较好的伏安特性曲线,调制曲线以及将调制曲线进行傅里叶变换后的幅频特性曲线.通过分析约瑟夫森结的伏安特性曲线可知我们的制备工艺流程比较稳定.制备与测试超导量子干涉放大器对于以后将其应用于读出微弱信号领域具有重要的意义.     

相位与约瑟夫森效应及其在超导中的应用

 许多物理效应(如多普勒效应,约瑟夫森效应、ＡＢ效应、干涉效应、量子霍尔效应)都与相位紧密相关,且相位的物理效应已在很多领域中得到了验证和应用。本文就相位与约瑟夫森效应及其在超导现象中的应用进行分析和讨论。一、约瑟夫森效应当两块超导体之间所夹绝缘层的厚度很薄(10-7ｃｍ左右)时,两超导体中的电子对会因隧道效应而耦合,电子对将从一块超导体进入另一超导体,形成超导(隧导)电流,而两超导区的电子对波函数具有确定的相位关系,这种现象称为约瑟夫森效应。1962年约瑟夫森研究了两块超导体被一层薄绝缘层分开的Ｓ-Ｉ-Ｓ结,即超导的隧道结,从理论上预言将会有以下的物理效应。     

基于电阻焦耳热调控3D纳米桥结的临界电流

近些年来, 超导三端子器件通过引入第三端可控变量可以实现单个约瑟夫森结两端临界电流的调控, 受到广泛关注. 本文介绍了一种微缩型的超导三端子器件结构, 通过电阻电流产生的焦耳热来调节3D 纳米桥结附近的局部温度, 从而实现有效调节3D 纳米桥结的临界电流. 本实验利用了两种氩(Ar) 离子表面清洗条件制备获得了两种不同电阻特性的铝(Al) 电阻条, 并且测量表征了这两种电阻条的电流焦耳功率分别与单个和两个3D 纳米桥结的临界电流之间的变化关系. 我们实现了最低使用33 μW 的电阻功率, 来达到单个3D 纳米桥结的临界电流的50% 范围内的调节, 从而验证了本超导三端子器件结构的可实用性.     

掩埋隧道结垂直面激光器速率方程参量提取

为了设计和优化高速激光二极管的高频特性,其速率方程模型参量的精确提取方法非常重要.本文针对新型长波长高带宽的掩埋隧道结垂直面激光器,给出一种速率方程模型参量提取方法.此方法是主要基于阈值电流、输出光功率、张弛振荡频率、阻尼因子和高偏置下增益压缩因子非线性效应等因素,根据已测量的不同偏置下芯片的小信号频率响应来拟合出方程中的张弛振荡频率和阻尼因子.通过考虑增益压缩因子,分别非线性拟合已提取的偏置光功率下的张弛振荡频率和阻尼因子,即可提取速率方程模型中的参量.