«РОССИЙСКИЕ ОРГАНИЗАЦИИ В СВЕРХПРОВОДИМОСТИ» Институт физики микроструктур РАН 603950, ГСП-105, Нижний Новгород, РОССИЯ. ИФМ РАН Тел.: (8312) 675120 Факс: (8312) 675553 Российская академия наук E-mail: svg@ipm.sci-nnov.ru http://www.ipm.sci-nnov.ru/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: - СВЧ электроника на основе высокотемпературных (ВТСП) и низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), включая активные и пассивные устройства; - свойства ВТСП и НТСП сверхпроводников в сильных СВЧ полях; - нелинейные радиохарактеристики СВЧ устройств; - элементы сквид-магнитометрии; - структуры «ВТСП-сегнетоэлектрик»; - структуры «НТСП–наномагнетики»; - многослойные структуры «сверхпроводник-полупроводник» (типа Mo/Si); - физические принципы генерирования и приема СВЧ излучения, синхронизация частоты в джозефсоновских контактах; - физика вихревого состояния; - мезоскопическая сверхпроводимость; 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; «РОССИЙСКИЕ ОРГАНИЗАЦИИ В СВЕРХПРОВОДИМОСТИ» 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 – чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н. Гапонов Сергей Викторович ПОДРАЗДЕЛЕНИЯ И ВЕДУЩИЕ СПЕЦИАЛИСТЫ Отдел физики сверхпроводников Тел.: (8312) 67-50-62, 67-51-85 E-mail: andron@ipm.sci-nnov.ru Заведующий отделом - член-корр. РАН, д.ф.-м.н. Андронов Александр Александрович Заместитель заведующего отделом - к.ф.-м.н., с.н.с. Ноздрин Юрий Николаевич Заведующий лабораторией сверхпроводящей электроники- д.ф-м.н., в.н.с. Курин Владислав Викторович Мельников Александр Сергеевич Токман Иосиф Давидович Окомельков Александр Владимирович Панкратов Андрей Леонидович Левичев Максим Юрьевич Чигинев Александр Валерьевич Пестов Евгений Евгеньевич Аладышкин Алексей Юрьевич Рыжов Денис Андреевич Маркелов Вадим Арсеньевич д.ф.-м.н. к.ф.-м.н. к.ф.-м.н. к.ф.-м.н. ведущий научный сотрудник старший научный сотрудник старший научный сотрудник старший научный сотрудник научный сотрудник младший научный сотрудник младший научный сотрудник младший научный сотрудник младший научный сотрудник ведущий инженер Лаборатория математических методов и численного моделирования Тел.: (8312) 67-96-48 E-mail: ilya@ipm.sci-nnov.ru Заведующий лабораторией – к.ф.-.м.н., с.н.с. Шерешевский Илья Аронович Нефедов Игорь Михайлович Вдовичева Надежда Константиновна Позднякова Вера Ильинична Каретникова Ирина Риксовна к.ф.-м.н. к.ф.-м.н. к.ф.-м.н. старший научный сотрудник старший научный сотрудник старший научный сотрудник инженер-математик «РОССИЙСКИЕ ОРГАНИЗАЦИИ В СВЕРХПРОВОДИМОСТИ» Отдел физики поверхности, границ раздела и многослойных структур Тел (8312) 60-76-92, 67-53-13 E-mail: salashch@ipm.sci-nnov.ru Заведующий отделом – чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н. Салащенко Николай Николаевич Фраерман Андрей Александрович Чурин Сергей Александрович Гусев Сергей Александрович Миронов Виктор Леонидович Вдовичев Сергей Николаевич Тресков Сергей Александрович Волгунов Дмитрий Геннадьевич д.ф.-м.н. к.ф.-м.н. к.ф.-м.н. к.ф.-м.н. ведущий научный сотрудник старший научный сотрудник старший научный сотрудник старший научный сотрудник младший научный сотрудник младший научный сотрудник ведущий инженер-электроник Отдел физики полупроводников Тел.: (8312) 67-55-55, 67-50-37 E-mail: zfk@ipm.sci-nnov.ru Заведующий отделом – д.ф.-м.н. Красильник Захарий Фишелевич Резник Александр Николаевич Гайкович Константин Павлович Жаров Александр Александрович Козлов Владимир Анатольевич Самохвалов Алексей Владимирович д.ф.-м.н. д.ф.-м.н. д.ф.-м.н. к.ф.-м.н. к.ф.-м.н. ведущий научный сотрудник ведущий научный сотрудник ведущий научный сотрудник старший научный сотрудник старший научный сотрудник Отдел технологии гетероструктур Тел:(8312) 67-55-35, 67-55-36 E-mail: pavlov@ipm.sci-nnov.ru Заведующий отделом – к.ф.-м.н. Шашкин Владимир Иванович Заместитель заведующего отделом – Павлов Сергей Александрович Дроздов Михаил Николаевич Дроздов Юрий Николаевич Парафин Алексей Евгеньевич Климов Александр Юрьевич Рогов Владимир Всеволодович Вопилкин Евгений Александрович Мастеров Дмитрий Вячеславович к.ф.-м.н. к.ф.-м.н. к.ф.-м.н. старший научный сотрудник старший научный сотрудник научный сотрудник вед. инженер технолог инженер технолог технолог первой категории младший научный сотрудник Отдел радиотехники Тел:(8312) 60-76-48, 67-57-32 E-mail: vax@ipm.sci-nnov.ru Заведующий отделом – Вакс Владимир Лейбович Панин Александр Николаевич Ходос Виктор Виленович Мансфельд Мария Анатольевна ведущий инженер ведущий инженер инженер-конструктор «РОССИЙСКИЕ ОРГАНИЗАЦИИ В СВЕРХПРОВОДИМОСТИ» 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. А.С. Быстров, А.С. Мельников, Д.А. Рыжов, И.М. Нефедов, И.А. Шерешевский, П.П. Вышеславцев 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. 6005-6013 2. Phys.Rev.B. 2000, 62, pр. 11820-11825 А.С. Мельников 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 dтипом 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 «РОССИЙСКИЕ ОРГАНИЗАЦИИ В СВЕРХПРОВОДИМОСТИ» 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. 1835-1836 2. Phys. Rev. Lett., 2001, 86, p. 4108-4111 3. J. Phys.: Condens. Matter., 1999, 11, p. 4219-4229 4. Physica B, 2000, 284-288, p. 781-782 5. Письма в ЖЭТФ, 2000, 71, с. 472-476 А.С. Мельников, И.М. Нефедов, Д.А. Рыжов, И.А. Шерешевский, В.М. Винокур, П.П. Вышеславцев 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 А.С. Мельников, В.М. Винокур 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 В.В. Курин, А.В. Юлин, J-G. Caputo, N. Flytzanis, N. Lazarides, E. Vavalis, A.В. Чигинев 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 «РОССИЙСКИЕ ОРГАНИЗАЦИИ В СВЕРХПРОВОДИМОСТИ» 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. Филипенко 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.В. Курин 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 В.В. Курин, А.В. Юлин, И.А. Шерешевский, Н.К. Вдовичева, 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 А.В.Чигинев, В.В.Курин 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, В.В. Курин, Ю.Н. Ноздрин, 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 Двусторонние YBCO пленки Параметры Толщина 10-300 нм Состояние разработки Активные и пассивные крио- «РОССИЙСКИЕ ОРГАНИЗАЦИИ В СВЕРХПРОВОДИМОСТИ» (на подложках STO, NGO, Неоднородность 5% YSZ, AlO/YSZ, LaO диаметром Тс0 до 92 К, Jc до7 МА/см2, 50 мм) Rs=0.25 мOм, l =250 нм (f=10ГГц, T=77 К) Структуры Толщина барьера 5нм YBCO/PBCO/YBCO Jc барьера до 103А/см2 Jc 106 А/см2 (77К) в пленках I и II уровней Структуры PZT/YBCO Коэрцитивное поле – 7*104 В/см Остаточная поляризация Pr=25мкКл/см2 после 1010 циклов снижается на 50% Мишени состава YxBayCuzO7-d Длинномерные ВТСП кристаллы Yba2Cu3O7-d в форме стержней, цилиндров Болометрические приемники СВЧ – ИК диапазонов Приемо-передающие полосковые антенны Болометр с выделенной тепловой мишенью Антенный микроболометр Частотный диапазон 2ГГц электронные элементы Поставка по заказу Сквиды Поставка по заказу Поставка по заказу Технология ВТСП пленок состава Yba2Cu3O7-d Поставка по заказу Сильноточная техника: токовводы элементы диамагнитных подвесов Прецизионные измерения: экраны магнитных полей Поставка по заказу Спектроанализаторы Макеты устройств Поставка по заказу Системы спутниковой и сотовой связи Радиометрия Макеты устройств Управление свойствами сверхпроводниковых пленок. Созданы лабораторные образцы. Поставка по заказу. Технология создания решеток Размер частиц 100Å малых ферромагнитных частиц на СП мостиках и Джозефсоновских контактах (Nb). Высокодобротный перестраи- Частотный диапазон: ваемый ВЧ контур 8-100 МГц, ненагруженная добротность ~100 000 Высокодобротные резонаторы Частотный диапазон: Создание лабораторного 1-6 ГГц макета Технологическое и измерительное оборудование Наименование Автоматизированная установка для измерения вольтамперных характеристик джозефсоновских контактов Установка бесконтактного измерения распределения плотности критического Параметры jc >5*103 A/см2 T > 4.2 K Разрешение 100х50 мкм2 Область применения и состояние разработки «РОССИЙСКИЕ ОРГАНИЗАЦИИ В СВЕРХПРОВОДИМОСТИ» тока в пленках c использованием датчиков Холла Установка измерения поверхностного СВЧ сопротивления Сканирующий лазерный микроскоп Установка магнетронного распыления Экспериментальный стенд больших мощностей диапазона 40 ГГц на основе квазиоптического резонатора Установка бесконтактного измерения нелинейных локальных свойств СП и их распределения по площади пленки Время измерения 10 мин Время сканирования пленки 1х1 см2 – 60мин T=77 K, F=10 ГГц 0,1 мОм< Reff< 150 мОм Точность измерения 20% Время измерения 20мин, включая охлаждение и нагрев образца 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 - Визуализация образца на мониторе компьютера Поставлен в Институт тонких пленок и ионной технологии в Юлих (Германия) Для пластин диаметром до 50 мм (на обе стороны). Материаловедение в интересах СВЧ применений ВТСП Макет устройства 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.