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     

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.     

嵌入到Fabry-Perot谐振腔的双晶约瑟夫森结阵列的阻抗匹配和相位锁定研究

在He等人所做的嵌入到Fabry-Perot谐振腔中约瑟夫森结阵列的微波辐照研究基础上,提出了同时实现约瑟夫森结阵列阻抗匹配和相位锁定的方法,进行了相关的电磁仿真和数值计算.双晶约瑟夫森结阵列被制作在YSZ双晶基片上,同时被嵌入到Fabry-Perot谐振腔内.通过在基片上制作与结阵列集成的串联馈电半波偶极天线阵,并对其结构进行优化实现了结与天线的匹配,数值计算表明结的辐射效率达到94%;利用天线阵辐射场的特征和对模型合理的设计,使Fabry-Perot谐振腔和基片同时谐振在合适的模式下,从而使结阵列与谐 关键词： 约瑟夫森结阵列 阻抗匹配 相位锁定 Fabry-Perot谐振腔     

利用一种改进模型研究谐振器耦合时的约瑟夫森结的响应(英文)

提出了一种改进的谐振器耦合时的约瑟夫森结模型,模型考虑了结与谐振器之间的耦合强度。利用这种模型,研究了谐振器耦合时的约瑟夫森结的响应,包括单结的电压自锁定和结阵列的相位互锁定现象。研究了耦合强度、谐振器的品质因数和谐振频率对电压自锁定的影响,并给出了合理的解释。此外,还对结阵列的相位互锁定强度对锁定电压和结数量的依赖关系进行了研究,并与理论值进行了比较。所得结果对谐振器耦合下的约瑟夫森结的应用具有指导意义。     

约瑟夫森结(阵列)与谐振器的耦合效应研究

利用一种新的电路模型系统研究了约瑟夫森结(阵列)与谐振器的耦合效应.以结的电压自锁定台阶幅度ΔI为目标值,得到了谐振电路的电阻R、谐振频率fr对耦合的影响规律,并给出了合理解释;以结阵列的相位互锁定强度IL为目标,研究了IL对锁定电压VL的依赖关系,同时,通过相关计算将其与通常电路模型下得到的结果进行了比较.     

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.     

嵌入Fabry-Perot谐振腔的高温超导双晶约瑟夫森结的毫米波辐照特性研究

采用嵌入Fabry-Perot谐振腔的方式,研究了Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)高温超导薄膜双晶约瑟夫森结的毫米波辐照特性.重点研究了双晶约瑟夫森结与Fabry-Perot谐振腔的耦合特性,发现放置在谐振腔中的结的位置、角度、结的图形以及Fabry-Perot谐振腔中两镜面间的距离等对耦合都有很大的影响.通过精细调节这些参数,可使双晶约瑟夫森结与外加毫米波达到最佳耦合.在最佳耦合情况下,能观察到9级明显的夏皮罗台阶.利用Fabry-Perot谐振腔技术,解决了约瑟夫森结与毫米波的耦合问题,为高温超导约瑟夫森结的毫米波及太赫兹波的辐射和检测研究奠定了基础.     

热噪声对串联约瑟夫森结阵列相位锁定的影响研究

相位锁定对于约瑟夫森结阵列的应用具有重要意义,采用数值仿真的方法研究了热噪声对约瑟夫森结阵列相位锁定的影响。采用电阻电容并联约瑟夫森结模型,利用公共并联电阻实现阵列的相位锁定,取不同的热噪声水平研究系统存在相位锁定的参数范围。结果包括不同热噪声情况下,约瑟夫森结临界电流的不一致性、McCumber参数对实现相位锁定的参数范围的影响,得到了热噪声对相位锁定的影响规律。     

利用夏皮罗台阶估算微波功率的方法及影响因素探究

将微波辐照到约瑟夫森结上,在结的电流电压(I-U)关系曲线中产生夏皮罗台阶。从0开始逐步增加微波功率到某一值,每一个微波功率和第0、1、2阶夏皮罗台阶高度组成的高度矩阵具有一一对应的关系。根据这个对应关系提出了一种估算微波功率的方法。在此研究基础上,分别利用电阻分流(RSJ)模型和电阻电容分流(RCSJ)模型研究约瑟夫森结中常态电阻和电容参量对夏皮罗台阶高度的影响,进而分析了结常态电阻和电容对微波功率估算精度的影响。     

基于高温超导双晶结的约瑟夫森效应观测实验

基于YBa2Cu3O7-δ高温超导双晶结,组建了约瑟夫森效应测试装置.利用此装置观察了直流和交流约瑟夫森效应,并测量了约瑟夫森结的临界电流和夏皮罗台阶.     

用于精密测量玻尔兹曼常数的量子电压噪声源芯片研制

量子噪声温度计系统可通过比较导体中电子运动的热噪声和量子电压参考噪声精密测量玻尔兹曼常数,其中量子电压噪声源所合成的量子电压参考噪声由一组超导约瑟夫森结阵产生.本文详细介绍了基于Nb/Nb_xSi_(1-x)/Nb约瑟夫森结的量子电压噪声源芯片的设计、制备及测试;采用脉冲驱动模式,合成了具有量子精度的100 kHz交流量子电压信号.结果表明:本文所研制的噪声温度计核心芯片已具备了合成交流电压的功能,可为后续玻尔兹曼常数精密定值、重新定义及复现热力学温度研究提供核心器件.     

高温超导GdBa2Cu3O7-δ薄膜双晶晶界结特性研究

在晶界夹角为24°的YSZ人工双晶基片上,采用原位直流磁控溅射法制备了高温超导双晶GdBa₂Cu₃O_7-δ超导薄膜。采用光刻技术在晶界上刻出了尺寸5×5μm²的双晶晶界结。在77K下观测了结的直流I-V特性和在10GHz微波辐射下结的Shapiro台阶。这表明我们的人工双晶晶界结具有约瑟夫森弱连接行为。对结的特性进行了初步的理论分析和在实验基础上的数值模拟,模拟结果与RSJ理论符合较好,表明我们的双晶晶界结基本符合RSJ模型。     

Design optimization for microwave coupling structures of a digital-to-analog converter based on series arrays of high-temperature superconducting Josephson junctions

A new coupling scheme of the external microwave signal for a digital-to-analog converter based on series arrays of high-temperature superconducting Josephson junctions has been proposed. It is suggested to couple the meander-like array inductively to a parallel microwave transmission line. Within the resistively shunted junction model different types of microwave coupling structures were analyzed with the goal to reduce the mutual phase locking and to achieve high output power and phase-locking stability. A harmonic balance technique was used to derive an analytic expression connecting the amplitudes of microwave voltages and currents in the array and the frequency of the external signal. Numerical simulations were performed to determine the boundaries of stable locking as a function of circuit parameters.     

约瑟夫森结在射频辐照下的亚谐波台阶仿真研究

利用PSp ice软件,采用电路仿真的方法深入研究了约瑟夫森结在射频辐照下的I-V特性,观察到了亚谐波台阶的存在,得出了台阶高度与射频电流幅度的关系,结果对于约瑟夫森结在电压标准和射频检测等方面的应用有重要的参考价值。     

Ac Josephson effect in Corbino-geometry Josephson junctions constructed on Bi2Te3 surface

Recently, a Corbino-geometry type of Josephson junction constructed on the surface of topological insulators has been proposed for hosting and braiding Majorana zero modes. As a first step to test this proposal, we successfully fabricated Corbino-geometry Josephson junctions (JJs) on the surface of Bi₂Te₃ flakes. Ac Josephson effect with fractional Shapiro steps was observed in the Corbino-geometry JJs while the flux in the junction area was quantized. By analyzing the experimental data using the resistively shunted Josephson junction model, we found that the Corbino-geometry JJs exhibit a skewed current—phase relation due to its high transparency. The results suggest that Corbino-geometry JJs constructed on the surface of topological insulators may provide a promising platform for studying Majorana-related physics.     

On the cryocooler-based cooling of Josephson microchips fabricated from cuprate superconductors for use in voltage standards

The features of the cooling of arrays of Josephson junctions fabricated from cuprate superconductors, as well as their interaction with microwave radiation during treatment in a closed-cycle cryocooler, are investigated. Estimation of microchip heating sources is carried out by measuring the current–voltage characteristics (IVCs) of the Josephson junctions. On the developed the developed experimental setup, Shapiro steps with a voltage of about 25 mV are obtained on the IVCs of the structure exposed to microwave radiation at a frequency of 75 GHz.