Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»
Скачать 301.42 Kb.
|
Полученные основные результаты проекта
В результате выполнения проекта были созданы:
В настоящее время в мире наблюдается дефицит компактных, перестраиваемых твердотельных источников когерентного непрерывного излучения терагерцового диапазона волн. Такие источники могут найти, как уже упоминалось выше, широкое применение как в научных экспериментах, так и приложениях. Полученные в ходе выполнения проекта результаты, развивающие новые методы создания твердотельных генераторов терагерцового диапазона волн позволят предложить новые источники терагерцового диапазона от 0.5 ТГц до 1.5 ТГц и закрыть так называемую «с терагерцовую щель». Следует также подчеркнуть, что идеи, реализованные в этом проекте, были успешно использованы в смежной тематике нашей группы, занимающейся также созданием микросхем из высокотемпературных сверхпроводников для квантовых эталонов напряжения. Следует отметить инновационный характер обоих направлений, в результате развития которых будет создана инновационная продукция, не имеющая мировых аналогов. В перспективе предполагается использование разрабатываемых джозефсоновских генераторов в качестве гетеродинов в приемниках, использующих болометрические смесители на горячих электронах (hot-electron bolometer, HEB). Очевидное преимущество данной технологии по сравнению с приборами вакуумной электроники или квантовыми каскадными лазерами заключается в возможности интеграции джозефсоновских осцилляторов с болометрами. Специально следует отметить возможность перестройки джозефсоновских осцилляторов в гораздо более широкой области частот, чем в других твердотельных генераторах. На основе полученных результатов могут быть созданы твердотельные генераторы терагерцового диапазона волн, которые могут найти применение в не только в различных областях фундаментальной науки, таких как астрономия, и спектроскопия, но и для усовершенствования инструментария ряда прикладных областей, как например радиолокация и радиовидение, или обнаружение предметов за непрозрачными экранами, в тумане и т.п.
За время выполнения проекта в работах принимало участие пять человек (студентов, аспирантов, научных сотрудников и молодых кандидатов наук). При их непосредственном участии было получено большинство результатов, заявленных в проекте. Молодые исследователи участвовали в большинстве публикаций по теме проекта. Кроме того, С.В. Миронов находится в заключительной стадии подготовки кандидатской диссертации (предполагаемая дата защиты: февраль-март 2013 года). За время выполнения проекта был принят на работу в ИФМ РАН Миронов С.В. на должность младшего научного сотрудника. Студент ННГУ А.В. Путилов был принят в аспирантуру ИФМ РАН в 2012 году.
Участие в ФЦП позволило расширить существующие научные связи и способствовало формированию новых исследовательских партнерств. В частности, мы использовали в проекте цепочки ниобиевых контактов, изготовленные в физико-техническом институте ФРГ (Physicalisch-Technische Bundesanstalt, PTB, Braunschweig). Это партнерство успешно развивается уже много лет. Установленное при выполнении этого проекта партнерство с Институтом физики планет Немецкого космического агентства (руководитель нашего проекта проф. А.Д. Семенов – сотрудник этого института) предполагается продолжить и заключить новый договор с финансированием со стороны ФРГ. Среди новых партнеров следует отметить научное сотрудничество с Физическим факультетом университета Лафборо, Великобритания, (Department of Physics, Loughborough University, Loughborough, United Kingdom). В июле 2012 г. ведущим сотрудником ИФМ РАН Клушиным А.М. там был проведен семинар по тематике проекта, а также выполнены совместные измерения, которые вошли в отчет 4 этапа проекта. Также были установлены научные контакты и 05.09.2012 заключен договор о Сотрудничестве с отделом конденсированных сред и квантовой оптики физического факультета Стокгольмского университета (Department of Physics, Stockholm University, AlbaNova University Center, SE-10691 Stockholm, Sweden). В августе 2012 года А.М.Клушин провел семинар в этом отделе. В октябре 2012 г. был подан проект на конкурс ФЦП «Научные н научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (51 очередь- мероприятие 1.5, естественные науки). Шифр заявки: 2012-1.5-14-000-1019, наименование лота N4: Поддержка научных исследований, проводимых коллективами под руководством приглашенных исследователей по научному направлению «Физика, астрономия» в области физики конденсированных сред. Тема научно-исследовательской работы (проекта) «Взаимодействие терагерцового электромагнитного излучения со слоистыми джозефсоновскими структурами». В случае успеха на конкурсе, приглашенным научным руководителем будет заведующий отделом конденсированных сред и квантовой оптики физического факультета Стокгольмского университета проф. В.М.Краснов. Известно, что джозефсоновские схемы, близкие по конструкции, можно использовать как для генерации терагерцового излучения, так и для создания квантовых источников постоянного напряжения с целью применения их в фундаментальной и прикладной метрологии. В нашем научном коллективе развиваются оба направления. В настоящее время выполняется также проект РФФИ 11-02-12132-офи-м-2011, название «Массивы джозефсоновских контактов из высокотемпературных сверхпроводников для квантовых эталонов напряжения». Проект выполняется в рамках конкурса офи-м-2011 - Конкурс ориентированных фундаментальных исследований по актуальным междисциплинарным темам Мы предполагаем продолжить сотрудничество с упомянутыми выше исследовательскими группами из ФРГ, Швеции и Великобритании. 2.6 Оценка вклада приглашенного руководителя в проект Вклад приглашенного научного руководителя можно оценить только очень положительно. По его предложению в календарный план был включен пункт по созданию лабораторного прототипа гетеродинного приемника, использующего осциллятор на джозефсоновских контактах в качестве гетеродина и сверхпроводящий смеситель на базе болометра на горячих электронах. Приглашённый исследователь доктор физико-математических наук А.Д. Семенов является одним из ведущих специалистов по теории, эксперименту и практическому использованию болометров на горячих электронах в астрономии и физике. С его помощью был подготовлен эксперимент по созданию гетеродинного приемника на болометрическом смесителе, а также проведены расчеты квазиоптических трактов и антенн для создания в ИПМ РАН измерительных стендов и квазиоптических детекторов на частоты до 0.5 ТГц. А.Д. Семенов познакомил сотрудников научного коллектива с оригинальными методиками измерений и проведения исследований в области субмм волн. А.Д. Семеновым было проведено 4 семинара по новым детекторам терагерцового диапазона волн и их применению в научных исследованиях. На последнем, заключительном семинаре предполагается обсудить достигнутые результаты в ходе выполнения проекта и перспективы продолжения совместных работ. 3. Программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс. Участником НИР Аладышкиным А.Ю. разработан научно – образовательный курс на электронных носителях «Туннельные явления в твердых телах», http://nano.nnov.ru/studies/curriculum/tunnel_phenomenon). Разработанные материалы научно-образовательных ресурсов размещены в сети Интернет на сайте организации – исполнителя поисковой научно-исследовательской работы в свободном доступе (Web адреса приведены выше, копии программ приведены в приложении). Данный лекционный курс ориентирован на студентов 4-го и 5-го курсов Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского (ННГУ), специализирующихся в области физики твердого тела. Курс состоит из 16 лекций и читается в весеннем семестре. Цель курса - изучение физических основ работы микро- и наноструктур с туннельной связью между металлическими, полупроводниковыми и сверхпроводящими электродами и применение полученных знаний для интерпретации результатов спектроскопических исследований в твердотельных наноструктурах. Электронное учебное пособие призвано помощь студентам в освоении учебной программы курса. Первая часть курса посвящена вопросам одноэлектронной теории туннелирования. Рассматривается небольшое число точно решаемых задач о рассеянии электрона в одномерном потенциале и локализации электрона в изолированных и туннельно-связанных потенциальных ямах. На основе этих решений обсуждаются вопросы о коэффициенте прозрачности структуры, спектре локализованных состояний, резонансном туннелировании и спектре резонансного прохождения, времени туннелирования. Рассматривается квазиклассическое описание туннелирования (приближение Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна), позволяющее получать приближенные решения. Обсуждается вопрос о скорости распада квазистационарных состояний и прозрачности туннельного барьера. Вторая часть курса посвящена обсуждению вопроса о влиянии зонной структуры на туннельные характеристики твердотельных наноструктур, когда необходимо учитывать особенность заполнения электронами разрешенных энергетических состояний. Рассматриваемая система из двух металлических электродов, разделенных вакуумной или изолирующей прослойкой, является модельной системой для объяснения принципа работы сканирующего туннельного микроскопа. При описании туннельно-связанных металлов обсуждаются вопросы кулоновский блокады туннелирования. В 2011-2012 учебном году в лекционный курс были добавлены вопросы, касающиеся особенностей туннельных явлений в сверхпроводящих и ферромагнитных струткурах. Для туннельно-связанных систем, состоящих из сверхпроводящих металлов, основное внимание уделяется описанию двух независимых механизмов: квазичастичного туннелирования и туннелирования электронных пар (т.е. эффекту Джозефсона). Приводятся многочисленные примеры применения систем с джозефсоновской связью в различных приложениях в качестве магнитометров, перестраиваемых источников и детекторов излучения, квантовых стандартов вольта и кубитов (логических элементов квантового компьютера). Для туннельно-связанных ферромагнитных систем основное внимание уделяется обсуждению эффекта спин-зависимого туннелирования. Это позволяет понять принципы работы спин-поляризованной туннельной микроскопии и спектроскопии. Результаты НИР, полученные за весь срок выполнения проекта, могут быть также внедрены в образовательный процесс обучения студентов по профильным специальностям (физика, радиофизика). На основе полученных результатов могут быть разработаны дополнения к существующим курсам лекций «Квантовая механика», «Физика твёрдого тела», «Физика сверхпроводников». На основе полученных результатов было проведено 4 научных семинара руководителем проекта А.Д. Семеновым. (см. отчеты за 1-4 этапы). Кроме того, результаты НИР были использованы исполнителем Мироновым С.В. при подготовке научно-квалификационных работ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук, а студентами Путиловым А.В. и Ромашкиным А.В. при подготовке курсовых и дипломных работ. Заключение Все задачи четвертого этапа проекта выполнены полностью. Продемонстрирован прототип терагерцового гетеродинного приёмника, в котором гетеродином являлся чип с джозефсоновскими контактами, смесителем – сверхпроводящий болометр на горячих электронах, а для смешения сигнала и излучения гетеродина использовался интерферометр Мартина-Паплетта. Путём точной юстировки интерферометра удалось привести в насыщение сверхпроводящий болометр излучением от контактов. При использовании в качестве источника сигнала куска поглотителя, охлаждённого в жидком азоте, достигнута чувствительность приёмника на уровне 1 %, что соответствует стандартам современных подобных приборов. Измерена диаграмма направленности излучения джозефсоновских контактов на различных расстояниях в горизонтальном и вертикальном направлениях. На основе полученных данных рассчитаны параметры внешней тефлоновой линзы в квазиоптической схеме, предназначенной для смешения излучения гетеродина и внешнего сигнала в прототипе терагерцового приёмника. Обнаружено, что излучение контактов частично поглощается кремниевой линзой, которая используется для первичной фокусировки, причём степень поглощения определяется удельным сопротивлением линзы. Измерен спектр мощности излучения джозефсоновских контактов. Показано, что большинству ступеней напряжения в нижней части ВАХ соответствует два максимума мощности – большой, расположенный на нижней части ступеньки, и малый, расположенный на верхней части. Подтверждено, что мощность излучения резко спадает, начиная с некоторого значения частоты (в данном случае, с 200 ГГц). Для работы с массивом джозефсоновских контактов использован режим импульсного тока смещения, который был реализован на базе приборов Keithley, в результате чего удалось заметно снизить перегрев джозефсоновских контактов. Установлено, что степень перегрева определяется эффективностью отвода тепла от подложки во внешнюю среду. Вместе с тем, на импульсах минимальной длительности, реализуемой на Keithley, перегрев полностью не устранялся. Это привело к выводу о необходимости использования ещё более коротких импульсов, что возможно реализовать методом строб-интегрирования на базе приборов Boxcar. Результаты исследований проекта внедрены в образовательный процесс, а также подготовлен итоговый научно-технический отчет проекта. Список использованных источников [1] Semenov, A. D. Application of Zero-Bias Quasioptical Schottky diode Detectors for Monitoring Short-Pulse & Weak THz radiation / A. Semenov, O. Cojocari, H.-W. Hübers, F. Song, A. Klushin, A.-S. Muller // IEEE Electr. Dev. Lett. – 2010. – V. 31. – P. 674–676. [2] Martin, D.H. Polarized interferometric spectrometry for the millimetre and submillimetre spectrum / D.H. Martin, E. Puplett // Infrared Phys. – 1969. – V. 10.– P. 105–109. [3] Goldsmith, P.F. Quasioptical Systems / P.F. Goldsmith // IEEE Press, New York – 1997. [4] Tretyakov, I. Low noise and wide bandwidth of NbN hot-electron bolometer mixers / I. Tretyakov, S.Ryabchun, M. Finkel, A. Maslennikova, N. Kaurova, A. Lobastova, B. Voronov, G. Gol’tsman // Appl. Phys. Lett. – 2011. – V. 98. – P. 033507–033509. |
Похожие:
 | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |  | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Санкт-петербургский государственный электротехнический университет «лэти» им. В. И. Ульянова (ленина) |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
