超导电子学-3.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《超导电子学-3.ppt》由用户(罗嗣辉)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 超导 电子学
- 资源描述:
-
1、许伟伟许伟伟南京大学超导电子学研究所南京大学超导电子学研究所超导隧道器件的高频响应超导隧道器件的高频响应10前面主要讨论直流前面主要讨论直流I IV V特性,低频特性。本章则讨论有外加高特性,低频特性。本章则讨论有外加高频辐照时它们的行为,特别是,它们的频辐照时它们的行为,特别是,它们的I IV V特性如何变化。特性如何变化。 概略地说,在微波辐照下,概略地说,在微波辐照下,I IV V特性曲线产生的两种变化,特性曲线产生的两种变化,一是一是 零电压超流减小,零电压超流减小,二是在二是在 的电压处(的电压处(k=1,2,3,)产生电流台阶。)产生电流台阶。ehfkek22在这里我们就要讨论如何
2、解释释定量的关系以及可能的应用。在这里我们就要讨论如何解释释定量的关系以及可能的应用。 在直流在直流IV特性曲线上,表现为通过原点的一条斜线。特性曲线上,表现为通过原点的一条斜线。在在JJ支路中支路中sin1II teUeVVedtdrocos22222sinororeVeUtt2ofeVorftatsin2reUa1. 简单的恒压源模型简单的恒压源模型设结两端有电压设结两端有电压 tUVVrocostRURVRVrocos仍用仍用RSJ模型。在模型。在R支路中,电流是支路中,电流是 其中其中cosrUt1sinI)sinsin()cos()sincos()sin()sinsin(111tat
3、ItatItatIIrofrofrof)2cos()() 1(2)()sincos(22tkaJaJtarkkkor) 12(cos)() 1(2)sinsin(122tkaJtarkkkr)cos() 12cos()() 1(2)sin()2cos()() 1(2)sin()()(120201ofrkkkofrkkkofottkaJttkaJtaJItIofrlofrllofotltlaJtaJ)(sin) 1()(sin)()sin()(1JJ支路支路电流电流还有还有 与外辐照的各次谐波的混合后的分量。与外辐照的各次谐波的混合后的分量。f1)(ItIrfnenVro2ornnheUJIIs
4、in)2(1heVof2流过结区的高频电流,除了含有由流过结区的高频电流,除了含有由V0所决定的频成份(所决定的频成份()外,)外,的直流分量发生在的直流分量发生在 (Vo可以为负值)可以为负值), 2, 1n ()外辐照的外辐照的 n 次谐波相锁定(见图)。次谐波相锁定(见图)。其值为其值为f可以看成是由直流偏置可以看成是由直流偏置Vo 所决定的所决定的的高频振荡与的高频振荡与)2(1rnneUJII简单的恒压源模型的优缺点:简单的恒压源模型的优缺点:处出现电流的跳变,并且给出了跳变的大小处出现电流的跳变,并且给出了跳变的大小 r它与高频电压它与高频电压U、高频频率、高频频率都有关,并成都有
5、关,并成 B. 函数关系函数关系 ehfnVn2 可以说明在可以说明在21)2(411)2(rrooeUeUJII21)(UIIoR支路支路JJ支路支路恒压源模型恒压源模型dtccr 给出的给出的IV曲线是在直线上迭加有尖钉的形状,而实验曲线是在直线上迭加有尖钉的形状,而实验给出的是台阶形。为了说明台阶,以后应改用恒流源模型。给出的是台阶形。为了说明台阶,以后应改用恒流源模型。 没有考虑没有考虑I1的频率特性,特别是的频率特性,特别是 Riedel 峰等等。峰等等。 上面假定了上面假定了U在结的各处是恒定的,因为结中的波速小在结的各处是恒定的,因为结中的波速小于自由空间的波速于自由空间的波速所
6、以在结内电磁波的波长也变小,为了要求所以在结内电磁波的波长也变小,为了要求U均匀,均匀, 结的尺寸必须是很小的。结的尺寸必须是很小的。1sinsindcrfrVIIItR111dsinsin2drfdcrIIteRItIIteRI1212eRIrsinsindd11IIIItrfdcsinsindd10iit2. 恒流源模型恒流源模型令令得得或者或者同除同除I1 1 2deVdt将将代入代入 oii ,12111111()( )( )( )()( )()2!3!sinsincoscoscoscossinsinooiitiiii & & & &%& & & & L数值解法数值解法给定给定 0,0
7、把微波的一个周期分成许多点,从把微波的一个周期分成许多点,从 按照按照 Taylor 展开逐点算出这些时刻展开逐点算出这些时刻的值:的值: 开始,开始,此后,保持此后,保持,i1不变,改变不变,改变io,最终便可算出以,最终便可算出以,i1为参数为参数的一条的一条IV曲线。曲线。如此算至一个周期的终点时算得的如此算至一个周期的终点时算得的值记下;值记下; 再继续算第二周期,所得数值记下,再继续算第二周期,所得数值记下,;将第一周期末的值与;将第一周期末的值与第二周期末的值、第三周期末的值第二周期末的值、第三周期末的值对比,假如第对比,假如第 n 周期末周期末( ) 2的值与第一周期末的值与第一
8、周期末的值之差最接近于的值之差最接近于,则则的周期的周期 就是微波周期的就是微波周期的n倍。在其中求得倍。在其中求得的平均值,的平均值, 便得到便得到 IV 曲线曲线上的一个点。上的一个点。在在和和 i1保持一定时,如果从保持一定时,如果从开始作计算,可以发现,平均开始作计算,可以发现,平均电压开始时变为零,不随电压开始时变为零,不随 io改变,及至改变,及至io加大至超过某一数值后,加大至超过某一数值后,平均电压由零开始慢慢加大,随平均电压由零开始慢慢加大,随io的增加而上升;待的增加而上升;待io增大至某一增大至某一值后,平均电压又保持为某一固定数值不变,要等到值后,平均电压又保持为某一固
9、定数值不变,要等到 io超过某一超过某一数值后,它才继续增大。数值后,它才继续增大。这样做的数值计算的主要结论是:这样做的数值计算的主要结论是: i0 这种情况反复呈现,便这种情况反复呈现,便 IV 曲线呈现阶梯形,台阶之间的间曲线呈现阶梯形,台阶之间的间隔相等,并且可以求出台阶的底部和顶部所对应的隔相等,并且可以求出台阶的底部和顶部所对应的io的值以及每的值以及每个台阶的高度。个台阶的高度。保持保持一定,对不同的一定,对不同的i1计算上述曲线,便可求得各个台阶计算上述曲线,便可求得各个台阶高度与高度与i1之间的关系。结果发现,在之间的关系。结果发现,在较大时,第较大时,第n个台阶高度与个台阶
10、高度与i1的关系基本上仍是的关系基本上仍是 n 阶贝塞尔函数,而当阶贝塞尔函数,而当很小时,则显著地很小时,则显著地偏离偏离 B. 函数的行为。函数的行为。-2-1.5-1-0.500.511.52-2-1.5-1-0.500.511.52Voltage UDirective Current idG=1.00|BLUE;A=0.50;w=0.60;Id=1G=1.00|RED;A=1.50;w=0.30;Id=1G=1.00|GREEN;A=1.50;w=0.60;Id=1仿真计算得出仿真计算得出微波辐照后的微波辐照后的I-V曲线曲线2483.6/eMHzV200 96VGHz00.511.5
11、22.533.544.55-0.200.20.40.60.811.2 data 2 splinedata 3data 1仿真计算得出仿真计算得出JosephsonJosephson结的结的0 0、1 1、2 2台阶电台阶电流与照射微波流与照射微波幅值的关系幅值的关系)(o函数法函数法微扰解法微扰解法高频应用高频应用检测器检测器约瑟夫森结的基本检约瑟夫森结的基本检波和混频作用波和混频作用I V特性曲线的位置特性曲线的位置由于外加射频信号的由于外加射频信号的作用而移动用一固定作用而移动用一固定偏流,由电压变化来偏流,由电压变化来量度调制。量度调制。q随时间作振荡,但由于不可避免随时间作振荡,但由于
12、不可避免的损耗,该振荡会逐渐消失。的损耗,该振荡会逐渐消失。当极板间电场为最大时,拉开两板当极板间电场为最大时,拉开两板,克服电场力作功,能量由源馈入,克服电场力作功,能量由源馈入主系统中。主系统中。当电场为零时,使极板恢复原位,当电场为零时,使极板恢复原位,没有能量的出入。没有能量的出入。电场反向最大时,又一次拉开极电场反向最大时,又一次拉开极板,又输入能量板,又输入能量电极为零时,极板复位,无能量电极为零时,极板复位,无能量出入出入 如果如果LC振荡回路的某一参量(电感振荡回路的某一参量(电感L或电容或电容C)受到外源的作用而周期性地)受到外源的作用而周期性地变化,则使可以有能量从外源流入
13、至该振荡电路中,保持其持续的振荡,变化,则使可以有能量从外源流入至该振荡电路中,保持其持续的振荡,参量放大器参量放大器以图的机械类比说明约瑟夫森结反射参量放大器电路模式,导纳约瑟夫森结反射参量放大器电路模式,导纳Yl用作结的分路电容的失谐用作结的分路电容的失谐 参量放大器参量放大器电压基准电压基准 独立定出电压后频率可以定出,为此,台阶数字要多,独立定出电压后频率可以定出,为此,台阶数字要多,台阶要陡直。台阶要陡直。 反之,如果知道反之,如果知道n后,测量频率后,测量频率f后可定出电压,由此用后可定出电压,由此用作保持和监视电压基准。目前,已可以在作保持和监视电压基准。目前,已可以在10 V,
14、电压做到,电压做到10-9的精度。的精度。ehfnVn21 mNbN(100nm)AlN(3.4nm)NbN(100nm)Jc 3104 A/cm2 Vg = 5.4 mV IcRn 2mV超导接收机核心器件超导接收机核心器件-NbN/AlN/NbN-NbN/AlN/NbN SIS SIS结结X :2mVY: 0.2mA-10-505100.11Voltage (mV)3.106THz2.525 THz1.626 THz0.76 THz0.5 THz0.294 THz0.196 THz0.098 THz0.076 THz 在一个温度下,用一个结,可测的最大与最小频率比在一个温度下,用一个结,可
15、测的最大与最小频率比为为50:1.最高频率为最高频率为3.1THz.结的频率响应结的频率响应约瑟夫森检测约瑟夫森检测系统的线宽系统的线宽3GHz 0204060801001201400100200300400500600幅 度频率(GHz)0204060801001201400100200300400500600幅 度频率(GHz)(a)(b) 94 GHz, 98 GHz和和106 GHz的微波信号的微波信号 (a)分别分别 辐照辐照 (b)同时辐照约瑟夫森结得到的频谱同时辐照约瑟夫森结得到的频谱(a)(a)电压响应曲线电压响应曲线 (b) (b) 经过经过HilbertHilbert变换所
16、得到的频谱变换所得到的频谱0.00.10.20.30.40.50.6-6-4-20246voltage responsevoltage (mv)020406080100120140160180012345spectrumfrequency (GHz)(a)(b)YBCO/YSZ双晶结太赫兹性能双晶结太赫兹性能100GHz微波辐照响应台阶微波辐照响应台阶300G微波辐照响应台阶微波辐照响应台阶 ICRN = 500 VICRN = 600 VYBaYBa2 2CuCu3 3OO7 7/MgO /MgO 双晶结的太赫兹双晶结的太赫兹特性与基波混频器特性与基波混频器 两个信号同时作用两个信号同时作用
17、在结上在结上fs = 1.5461 THz,fLO = 1.6266 THz, fIF = 80.5 GHz100GHz谐波混频结果谐波混频结果 100G微波辐照响应台阶微波辐照响应台阶 50次谐波混频中频输出次谐波混频中频输出 毫米波锁相稳频器毫米波锁相稳频器外观外观高温超导谐波混频器高温超导谐波混频器3mm锁相稳频框图锁相稳频框图高温超导锁相高温超导锁相系统系统60次谐波混频的中频输出Span=10MHz, Swp=400msec,RBW=100KHz, VBW=1KHz单边相位噪声-70dBc/Hz5KHz入锁后入锁前 3074次高次谐波范围次高次谐波范围内,中频输出信号的内,中频输出信
18、号的功率都能满足系统入功率都能满足系统入锁要求,显示出高温锁要求,显示出高温超导约瑟夫森结良好超导约瑟夫森结良好的高频性能和高谐波的高频性能和高谐波混频能力。混频能力。BSCCO 中中相干长度在相干长度在ab 面为面为ab 23nm;而在沿着;而在沿着c 轴方向轴方向c 小于小于0.1nm,CuO 层中的序参量要比在其之间的层中的序参量要比在其之间的BiO 层层和和SrO 层要大。层要大。3A12.5A是超导层(是超导层( CuO 层)层)非超导层(非超导层( BiO 层层和和SrO 层)势垒层。层)势垒层。通过通过Josephson 效效应而发生弱耦合。应而发生弱耦合。低温超导体超导相的相干
19、长度低温超导体超导相的相干长度远大于其晶格常数,而且其序远大于其晶格常数,而且其序参量具有各向同性。参量具有各向同性。单结本征结单结本征结I-V曲线曲线P. H. Wu, L. X. You, J. Chen, Z. M. Ji, W. W. Xu, L. Kang, C. T. Lin, and B. Liang, Physica C, 405, 65(2004)双面制备法的推广:许多结双面制备法的推广:许多结阵经超导通路相互串联阵经超导通路相互串联H. B. Wang, P. H. Wu, and T. Yamashita, Appl. Phys. Lett, 80, 1604(2002)
20、量子电压基准量子电压基准 在斜切基片上制作在斜切基片上制作Tl-2212Tl-2212超导薄膜本征超导薄膜本征结结振荡器振荡器本征结磁通流振荡器原理图。本征结磁通流振荡器原理图。左图为未匹配情形,右图为匹配情形左图为未匹配情形,右图为匹配情形Josephson 效应,每效应,每mV 的偏置电压对应约的偏置电压对应约500GHz 的振荡频率。的振荡频率。BSCCO 本征结能隙电压高达约本征结能隙电压高达约30mV,因此可以产生高达近,因此可以产生高达近15 THz 高频振荡,高频振荡,磁通流振荡器磁通流振荡器当存在当存在ab 平面内的平面内的磁场时,在垂直于磁场时,在垂直于ab 平面的电流偏置平
21、面的电流偏置下,磁通将会在下,磁通将会在ab 平面内发生定向运平面内发生定向运动。当其运动速度动。当其运动速度和和ab 平面内电磁波平面内电磁波传播速度相匹配时,传播速度相匹配时,将会激发高频将会激发高频振荡。其频率据实振荡。其频率据实验估算在验估算在1 THz 左左右(右(BSCCO)Josephson 振荡器振荡器超导量子干涉器件及其应用超导量子干涉器件及其应用Superconductin Quantum Interference Devices- SQUIDm ax0sin()ooII引言引言根据约瑟夫逊效应的基本方程,根据约瑟夫逊效应的基本方程,一般地说是与空间有关的,其一般地说是与空
22、间有关的,其梯度决定于磁场。当单个结的面积比较大,所包围的磁场不能略去梯度决定于磁场。当单个结的面积比较大,所包围的磁场不能略去时,我们曾导出过最大临界电流的表达式时,我们曾导出过最大临界电流的表达式其中其中=d axHy d= t+L+R,ax是结在是结在x方向的尺寸,方向的尺寸,Hy则是则是y方向的磁场。方向的磁场。1122()2somAJe222baoonA dl 其中其中 和和 是两个结处的相位差,是两个结处的相位差,ba沿着该回路积分一圈,考虑到波函数单值性的要求沿着该回路积分一圈,考虑到波函数单值性的要求故故 的贡献可以不计。的贡献可以不计。sJ推导时推导时已假设环路的厚度远大于穿
23、透深度,已假设环路的厚度远大于穿透深度,现在考虑有两个结并联构成回路的情形,并可先设回路的现在考虑有两个结并联构成回路的情形,并可先设回路的电感电感可以可以略去略去,当然,回路也是由超导体所构成的。,当然,回路也是由超导体所构成的。2oheweber 0SJ 磁通量子化磁通量子化在较厚的环中,在较厚的环中,沿环路一周积分沿环路一周积分22()2SomAJe 2oA 000222ddldlndlA dln SSSHAH d sH d sA d sA dl )sin(sinbacbaIIII2bao)cos()sin(2)2sin(sinooacoaacIII)cos(2maxocIIcI假定两个
24、结是全同的,临界电流是假定两个结是全同的,临界电流是先设先设 n=0,1)sin(oa最大值发生在最大值发生在cI如果考虑到每个结的结区中包围的磁通量,则如果考虑到每个结的结区中包围的磁通量,则也是磁场的函数,也是磁场的函数,22CoIo )cos()()sin(2maxoLoJoJcoIIJ其中其中是结区包围的磁通量,是结区包围的磁通量,L是回路包围的磁通量,由于结的面积远小于回路的面积,是回路包围的磁通量,由于结的面积远小于回路的面积,JL远小于远小于,后一项相应地变化要快得多。,后一项相应地变化要快得多。所以所以典型的实验结果如图,典型的实验结果如图,其中其中(a)与理论结果很接近,)与
25、理论结果很接近,(b)则不到零点,原因可解)则不到零点,原因可解释为两个结不全同,而且回路释为两个结不全同,而且回路有电感,有电感,作为一种直观的图像,在现阶作为一种直观的图像,在现阶段就可以用这两张曲线来显示,段就可以用这两张曲线来显示,但更细致的说明还应计入回路但更细致的说明还应计入回路电感。电感。这种现象与光学中的双缝干涉或无线电的二元阵相类似,在超导这种现象与光学中的双缝干涉或无线电的二元阵相类似,在超导电子学中特称为电子学中特称为Mercereau效应,由此即可看出利用这种现象可效应,由此即可看出利用这种现象可以测量微弱的磁场。以测量微弱的磁场。双结超导环在外磁场中双结超导环在外磁场
展开阅读全文