YBa2Cu3O7高溫超導(dǎo)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列毫米波輻射特性

劉新英，岳宏衛(wèi)，謝清連，鄧進(jìn)麗，肖功利

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林　541004；2.廣西師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，南寧 530001)

YBa2Cu3O7高溫超導(dǎo)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列毫米波輻射特性

劉新英1，岳宏衛(wèi)1，謝清連2，鄧進(jìn)麗1，肖功利1

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004；2.廣西師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，南寧 530001)

摘要：針對(duì)高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的電磁輻射效率低、實(shí)用性差的問(wèn)題，采用嵌入Quasi-Optical諧振腔的方式，研究YBa2Cu3O7高溫超導(dǎo)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列的毫米波輻射特性。將基片作為介質(zhì)諧振器，通過(guò)雙晶約瑟森結(jié)陣列、介質(zhì)諧振器和Quasi-Optical諧振腔的共同諧振作用加強(qiáng)了結(jié)陣列與外部微波電路的耦合。使用混頻檢測(cè)技術(shù)，在78.6 K溫度下，實(shí)驗(yàn)制備并測(cè)量了由644個(gè)雙晶約瑟夫森結(jié)組成的串聯(lián)結(jié)陣列的毫米波輻射特性，得到輻射峰的中心頻率為69.3 GHz，檢測(cè)到的輻射功率約為20 pW，提高了輻射效率。

關(guān)鍵詞：高溫超導(dǎo)薄膜；Quasi-Optical諧振腔；約瑟夫森結(jié)；Shapiro臺(tái)階

自從高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以來(lái)，高溫超導(dǎo)約瑟夫森(Josephson)結(jié)的輻射特性及其應(yīng)用一直是國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。根據(jù)交流約瑟夫森頻率電壓關(guān)系

其中磁通量子Φ0=h/2e，在結(jié)兩端加幾毫伏的電壓，就可以得到毫米波甚至太赫茲電磁波輻射，且電壓與頻率具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于約瑟夫森結(jié)具有低噪聲、低功耗、高靈敏度、高工作頻率和頻率連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種特性優(yōu)良的高頻波信號(hào)源，獲得了廣泛的研究和應(yīng)用[2-3]。

由于單個(gè)約瑟夫森結(jié)的臨界電流及結(jié)電阻很小，很難與外部微波電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使得能夠檢測(cè)到的輻射功率很小，無(wú)實(shí)用價(jià)值。提高超導(dǎo)結(jié)器件輻射功率的一個(gè)有效方法是采用串聯(lián)多個(gè)約瑟夫森結(jié)。研究表明，在相位鎖定的條件下，串聯(lián)約瑟夫森結(jié)陣列的輻射功率與串聯(lián)結(jié)數(shù)N成正比，而輻射線寬與N成反比[4]，同時(shí)串聯(lián)約瑟夫森結(jié)陣列具有較大的結(jié)電阻，能有效改善結(jié)器件與外部微波電路的阻抗匹配，從而提高結(jié)器件的電磁輻射檢測(cè)功率。但要實(shí)現(xiàn)大數(shù)目的雙晶串聯(lián)結(jié)陣列的相位鎖定，從而產(chǎn)生相干輻射，還比較困難，需要對(duì)制結(jié)工藝及結(jié)器件與外部微波檢測(cè)電路的電磁耦合問(wèn)題進(jìn)行深入研究。1997年，日本的Lee等[5]實(shí)現(xiàn)了5個(gè)串聯(lián)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列的相干輻射。2010年，岳宏衛(wèi)等[6]觀測(cè)到由166個(gè)結(jié)組成的串聯(lián)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列的毫米波輻射。基于此，研究在78.6 K液氮工作溫度下，嵌入到Quasi-Optical耦合系統(tǒng)的644個(gè)串聯(lián)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列的毫米波輻射特性，觀測(cè)到了69.3 GHz的電磁輻射，并檢測(cè)到約20 pW的輻射功率。

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1制備雙晶約瑟夫森結(jié)陣列

實(shí)驗(yàn)使用的基片是雙晶釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)，晶界錯(cuò)位角24°，誤差為±1°，尺寸大小為10 mm×10 mm×0.5 mm。為防止界面反應(yīng)，在YSZ基片上沉積YBa2Cu3O7(YBCO)高溫超導(dǎo)薄膜之前，先在其上制作一層10 nm的Y2O3緩沖層，然后再沉積300 nm的YBCO薄膜[7]。使用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝和Ar+離子刻蝕技術(shù)，沿晶界方向制作一系列串聯(lián)的微橋，從而得到串聯(lián)的雙晶約瑟夫森結(jié)陣列。圖1為集成有樣品的樣品臺(tái)，其中包含了本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的644個(gè)串聯(lián)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列局部光學(xué)顯微照片。在光學(xué)顯微照片中，黑色的微帶是YBCO超導(dǎo)薄膜，灰色部分是YSZ基片，白色虛線為雙晶YSZ基片的晶界。

圖1　樣品臺(tái)Fig.1　Sample holder

1.2Quasi-Optical耦合檢測(cè)系統(tǒng)

Fabry-Perot(FP)諧振腔工作在TEM00q基模模式時(shí)，腔內(nèi)電磁場(chǎng)分布具有高斯光束的形式，在近軸區(qū)域的電磁場(chǎng)近似于空間平面波，且電磁能量聚集于束腰位置，這種特點(diǎn)的場(chǎng)分布非常適合研究超導(dǎo)結(jié)器件的微波輻射特性[6,8]，因此采用FP諧振腔作為微波耦合檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件[9]。但在研究超導(dǎo)結(jié)器件的微波輻射特性時(shí)，由于喇叭天線更有利于收集結(jié)器件輻射的電磁波，采用喇叭天線代替FP諧振腔中的半球面鏡，與平面反射鏡一起構(gòu)成Quasi-Optical諧振腔。圖2為構(gòu)建的高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件毫米波輻射Quasi-Optical耦合檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。

圖2　檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2　Measurement system

該檢測(cè)系統(tǒng)由Quasi-Optical諧振腔、隔離器、混頻器、增益為64.5 dB的中頻放大器和靈敏度為16.4 mV/μW的平方律檢測(cè)器組成。其中Quasi-Optical諧振腔是檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件，由一個(gè)喇叭天線和一個(gè)平面鏡組成，其間距可微調(diào)，通過(guò)諧振作用實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)結(jié)器件電磁輻射的耦合輸出。Quasi-Optical諧振腔與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、傳輸波導(dǎo)管等部件集成后密封在不銹鋼圓筒中，構(gòu)成一個(gè)測(cè)試棒。把樣品嵌入Quasi-Optical諧振腔，并把測(cè)試棒浸入盛有液氮的杜瓦瓶，使結(jié)器件工作在溫度為78.6 K的液氮中，通過(guò)螺旋測(cè)微器微調(diào)喇叭天線與平面鏡的距離，旋轉(zhuǎn)波導(dǎo)管來(lái)改變Quasi-Optical諧振腔中電場(chǎng)的偏振方向及結(jié)器件晶界的角度，使超導(dǎo)結(jié)器件與外部微波檢測(cè)電路達(dá)到最佳耦合狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了保證超導(dǎo)結(jié)器件在多次冷熱交替下表面不結(jié)水珠，在密封的不銹鋼圓筒中充滿高純氦氣。另外，本振信號(hào)是由一個(gè)8～10 GHz基準(zhǔn)信號(hào)源經(jīng)8倍頻后得到。超導(dǎo)結(jié)器件的電流-電壓(I-V)特性曲線用四引線法測(cè)量。I-V特性測(cè)量系統(tǒng)由檢測(cè)電路、超導(dǎo)結(jié)器件、樣品臺(tái)、示波器和PC組成，對(duì)結(jié)器件的特性進(jìn)行檢測(cè)和記錄。測(cè)試結(jié)果在示波器上顯示，便于實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)及對(duì)耦合參數(shù)微調(diào)。為保證結(jié)器件輻射信號(hào)不受外部電磁波干擾，所有測(cè)試均在金屬屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。

2仿真

相位鎖定和提高結(jié)器件與外部微波檢測(cè)系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度是提高串聯(lián)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列電磁輻射功率的2個(gè)有效途徑。為了改善超導(dǎo)結(jié)器件與外部微波電路的耦合，將基片當(dāng)作介質(zhì)諧振器，通過(guò)串聯(lián)結(jié)陣列、介質(zhì)諧振器和Quasi-Optical諧振腔三者的共同作用來(lái)加強(qiáng)結(jié)器件與外部微波電路的耦合強(qiáng)度。

采用CST軟件仿真Quasi-Optical諧振腔及介質(zhì)基片內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布。仿真模型與實(shí)物尺寸一致。通過(guò)多次優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了Quasi-Optical諧振腔和介質(zhì)諧振器(即基片)的共同諧振。圖3(a)為嵌入基片后的Quasi-Optical諧振腔及介質(zhì)基片在頻率f=68GHz時(shí)沿x軸方向的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，圖3(b)為Quasi-Optical諧振腔的S11曲線。從圖3可看出，Quasi-Optical諧振腔和基片在68 GHz頻率都工作在某一諧振模式，基片與Quasi-Optical諧振腔的耦合程度較好。

圖3　Quasi-Optical諧振腔仿真結(jié)果Fig.3　The simulation result of Quasi-Optical resonator

頻率為68 GHz時(shí)，串聯(lián)約瑟夫森結(jié)表面感應(yīng)電流分布如圖4所示。建模時(shí)，用理想電導(dǎo)體代替高溫超導(dǎo)薄膜，交流電流源作為激勵(lì)源。

圖4　串聯(lián)約瑟夫森結(jié)的表面感應(yīng)電流分布Fig.4　The distribution of surface induction current in series-connected Josephson junction

圖4中，淺色微帶表示超導(dǎo)基片，深灰色的微帶表示YBCO超導(dǎo)薄膜，中間深色三角表示交流電流源(用來(lái)代替約瑟夫森結(jié))。淺色箭頭的方向表示表面電流的流向，表面電流的大小與其顏色的深淺對(duì)應(yīng)。從圖4可看出，在頻率68 GHz，各結(jié)上的表面感應(yīng)電流流向一致，且感應(yīng)電流主要集中在雙晶結(jié)陣列的結(jié)區(qū)附近，為雙晶結(jié)陣列提供了一個(gè)較強(qiáng)的交流偏置，有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)陣列的相位鎖定。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1毫米波輻照特性

測(cè)量超導(dǎo)結(jié)器件毫米波輻照特性的目的在于檢查結(jié)器件與外部微波電路的耦合度。理論和實(shí)驗(yàn)研究都證明超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件在外加微波輻照下，會(huì)產(chǎn)生微波感應(yīng)臺(tái)階，即Shapiro臺(tái)階[10]。圖5為在溫度T=78.6 K條件下，644個(gè)串聯(lián)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列的毫米波輻照特性曲線。圖5中a為無(wú)外加輻照時(shí)的I-V特性曲線，b為在外加頻率f=68 GHz毫米波輻照下的I-V特性曲線，圖5左上角是零電壓附近曲線的放大圖。從曲線a可看出，此結(jié)陣列的臨界電流IC=0.73 mA，結(jié)陣列的總電阻為138.7 Ω，改善了結(jié)陣列與外部電路的阻抗匹配。從曲線b可看出，在外加68 GHz毫米波輻照下，零臺(tái)階受到明顯的壓制，幾乎被壓制到零，同時(shí)第一級(jí)Shapiro臺(tái)階高度達(dá)到最大，說(shuō)明此時(shí)結(jié)陣列與外部微波電路達(dá)到最佳耦合狀態(tài)。第一級(jí)Shapiro臺(tái)階處的電壓為90.6 mV，滿足約瑟夫森關(guān)系

其中：e為電子電量；h為普朗克常數(shù)；n為臺(tái)階級(jí)數(shù)；N為串聯(lián)結(jié)的個(gè)數(shù)；f為外加微波頻率。

圖5　644個(gè)串聯(lián)雙晶約瑟夫森結(jié)的毫米波輻照特性曲線Fig.5　Millimeter-wave radiation characteristics of 644 series-connected bicrystal Josephson junctions

3.2毫米波輻射特性

在系統(tǒng)處于最佳耦合狀態(tài)下，保持樣品和喇叭天線的位置不變，固定本振頻率，緩慢掃描通過(guò)結(jié)陣列的電流，測(cè)得結(jié)陣列的毫米波輻射特性曲線如圖6所示。圖6中曲線c為在溫度T=78.6K條件下，644個(gè)串聯(lián)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列發(fā)生輻射時(shí)，由平方律檢測(cè)器檢測(cè)到的中頻電壓曲線。從曲線c可觀察到2個(gè)明顯的對(duì)稱輻射峰，在結(jié)陣列兩端電壓為90.6 mV處，電磁波輻射功率達(dá)到最大值，中頻輸出電壓的峰值VIF,max=330 mV，根據(jù)中頻放大器增益(64.5 dB)和平方律檢測(cè)器的靈敏度，計(jì)算出結(jié)陣列的輻射功率約為20 pW。為了說(shuō)明輻射峰位置與系統(tǒng)的耦合關(guān)系，圖6中還加入了結(jié)陣列在沒(méi)有外加輻照時(shí)的I-V特性曲線(曲線a)和在最佳耦合狀態(tài)下串聯(lián)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列在68GHz的外加毫米波輻照下的I-V特性曲線(曲線b)。由圖6可知，輻射最強(qiáng)時(shí)結(jié)陣列所處的位置正是其與外部微波系統(tǒng)耦合最好時(shí)的位置，但輻射線寬較大，說(shuō)明結(jié)陣列并未實(shí)現(xiàn)完全的相位鎖定，這可能是由于結(jié)參數(shù)的不一致性和熱噪聲等因素的影響所致。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件毫米波輻射Quasi-Optical耦合檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)制備由644個(gè)雙晶結(jié)組成的結(jié)陣列，采用混頻檢測(cè)技術(shù)測(cè)量了結(jié)陣列的毫米波輻射特性。在78.6 K溫度下，檢測(cè)到2個(gè)對(duì)稱的輻射峰，輻射峰的中心頻率為69.3 GHz，輻射功率達(dá)到20 pW量級(jí)。為進(jìn)一步研究高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件作為太赫茲信號(hào)源打下了良好的基礎(chǔ)，也為實(shí)現(xiàn)毫米波固體頻率源在航空航天、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。

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編輯：張所濱

Millimeter-wave radiation characteristics of YBa2Cu3O7high temperature superconducting bicrystal Josephson junction arrays

LIU Xinying1, YUE Hongwei1, XIE Qinglian2, DENG Jinli1, XIAO Gongli1

(1.School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2.College of Physics and Electronic Engineering, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

Abstract：In view of the low efficiency and practicability of the electromagnetic radiation of high temperature superconducting Josephson junction devices, the millimeter-wave radiation characteristics of YBa2Cu3O7 high temperature superconducting bicrystal Josephson junction arrays embedded in a Quasi-Optical resonator is studied.The substrate is taken as a dielectric resonator, the high-frequency electromagnetic coupling between Josephson junction arrays and external microwave circuits is improved by the interaction of Josephson junction arrays, the dielectric resonator and Quasi-Optical resonator. The radiation properties of serial arrays containing 644 bicrystal Josephson junctions are measured by superheterodyne technology at the temperature of 78.6 K,and the detected radiation power is approximately 20 pW at the central frequency of 69.3 GHz. The radiation efficiency is improved.

Key words：high temperature superconducting thin film; Quasi-Optical resonator; Josephson junction; Shapiro step

收稿日期：2015-12-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(11264009，61465004)；廣西自然科學(xué)基金(2015GXNSFDA139001)；廣西高校新型電功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(EFM201402)；桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃(YJCXS201514)

通信作者：岳宏衛(wèi)(1967-)，男，廣西賀州人，副教授，博士，研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電子學(xué)器件與毫米波源。E-mail:guetyhw@163.com

中圖分類號(hào)：O511+.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-808X(2016)02-0169-04

引文格式： 劉新英，岳宏衛(wèi)，謝清連，等.YBa2Cu3O7高溫超導(dǎo)雙晶約瑟夫森結(jié)陣列毫米波輻射特性[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(2):169-172.