Джозефсонівський багатошаровий контакт надпровідникового магнетометра для реєстрації змінних електромагнітних полів

Реферат: Джозефсонівский багатошаровий контакт надпровідного магнітометра для реєстрації змінних електромагнітних полів містить ізолюючу підкладку, нижній електрод, надпровідники, шар ненадпровідного металу, плівку ізолятора, верхній надпровідний електрод. Між плівкою ізолятора і верхнім надпровідним електродом розміщується додатковий шар ненадпровідного металу, ідентичний за складом і товщиною нижньому ненадпровідному шару. UA 84867 U (12) UA 84867 U UA 84867 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області вимірювальної техніки і призначена для створення нових типів надвисокочутливих надпровідникових магнітометрів для безконтактного контролю змінних електромагнітних полів. Надпровідникові прилади, зокрема джозефсонівські багатошарові контакти з гетероструктурою надпровідник (S)-ізолятор (І)-надпровідник (S) та магнітометри на їх основі є найбільш чутливими сенсорами до зовнішніх магнітних полів і вже активно застосовуються для діагностики однорідності провідників різної геометрії (див. D. Drung, С. Assmann, J. Beyer, A. Kirste, M. Peters, F. Ruede, Th. Schurig "Highly sensitive and easy-to-use SQUID sensors". IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 17, No. 2, p. 699-704 (2007). Традиційна структура джозефсонівського багатошарового контакту включає в себе розміщений на ізолюючій підкладці нижній електрод, виконаний з надпровідників, на якому знаходиться плівка ізолятора, і верхній надпровідний електрод (див. М. Gurvitch, M.A. Washington, H.A. Huggins. "High quality refractory Josephson tunnel junctions utilizing thin aluminum layers". Applied Physics Letters, vol. 42, No. 5, p. 472-474 (1983)). Стандартний джозефсонівский багатошаровий контакт створюється напилюванням на діелектричну підкладку нижнього електрода з надпровідного ніобію, напилюванням на нього плівки алюмінію товщиною 5 нанометрів, наступного повного окиснення алюмінію і створення таким чином нанорозмірного потенційного бар'єру з оксиду алюмінію Аl2О3 і, нарешті, напилювання зверху другого металевого електрода з ніобію. В результаті цього утворюється тришарова гетероструктура надпровідник-ізолятор-надпровідник (SIS). Основний недолік цього пристрою - наявність ємності С, внаслідок чого багатошаровий контакт Джозефсон має кінцевим часом згасання τ = RC яке може досягати 0,01 секунди через те, що опір R отриманої таким чином структури зазвичай становить кілька ОМ і вище. В результаті цього вольт-амперні характеристики SIS переходу демонструють гістерезис при порівняно невеликих частотах сотень Герц (див. Likharev K.K., Semenov V.K. RSFQ logic/memory family: a new Josephsonjunction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 1, No. 1, p. 3-28 (1991)). Щоб позбутися від гістерезису, був запропонований перехід з внутрішнім шунтуванням (див. Patel V., Lukens J.E. Self-shunted Nb/AlOx/Nb Josephson junctions. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 9, No. 2, p. 3247-3250 (1999)). У ньому товщина напилюваного шару алюмінію зменшена до одного нанометра, що призводить до зменшення товщини шару Аl2О3 і, відповідно, зменшення опору переходу R. Недоліком зазначеного рішення проблеми гістерезисних кривих є наявність істотного струму ненадпровідної природи, який виникає через надпровідні закоротки в надтонкому бар'єрі з оксиду алюмінію. Найбільш близьким по технічної суті до запропонованої корисної моделі є пристрій (див. Lacquaniti V., De Leo N., Fretto M, Sosso A., Belogolovskii M. Nb/Al-AlOx-Nb superconducting heterostructures: A promising class of self-shunted Josephson junctions. Journal of Applied Physics, vol. 108, No. 9, p. 093701-1-093701-8 (2010), що складається з ізолюючої підкладки, нижнього електрода, виконаного з надпровідників, на якому послідовно розміщені шар ненадпровідного металу, плівка ізолятора товщиною один нанометр з можливими закоротками і верхній надпровідний електрод. У відомому технічному рішенні ненадпровідний шар блокує надпровідний компонент струму, що протікає через закоротки. Недоліком такого пристрою є асиметрія джозефсонівського багатошарового контакту, яка призводить до нестійкості вольт-амперної характеристики, що перешкоджає його стійкій роботи при реєстрації зовнішніх електромагнітних полів (див. Ternes М, Schneider W.-D., Cuevas J.-C, Lutz С. Р., Hirjibehedin C.F.,. Heinrich A.J. Subgap structure in asymmetric superconducting tunnel junctions, Physical Review B, vol. 74, No. 13, p. 13250-1-13250-4 (2006). В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення стійкості роботи джозефсонівського багатошарового контакту при реєстрації зовнішніх електромагнітних полів за рахунок усунення нестійкості вольт-амперної характеристики. Поставлена задача вирішується тим, що в джозефсонівскому багатошаровому контакту надпровідного магнетометра для реєстрації змінних електромагнітних полів, який містить розміщений на ізолюючій підкладці нижній електрод, виконаний з надпровідників, і послідовно розміщені на ньому шар ненадпровідного металу, плівку ізолятора і верхній надпровідний електрод, згідно з корисною моделлю, між плівкою ізолятора і верхнім надпровідним електродом розміщується додатковий шар ненадпровідного металу, ідентичний за складом і товщиною нижньому ненадпровідному шару. Наявність ненадпровідних шарів і пригнічує надпровідний компонент струму через закоротки в надтонкому шарі ізолятора товщиною один нанометр, який, у свою чергу, як і в найбільш 1 UA 84867 U 5 10 15 20 25 30 близькому технічному рішенні, усуває гістерезис вольт-амперних характеристик. Ідентичність двох шарів і по складу і товщині відновлює симетрію джозефсонівського багатошарового контакту і призводить до стійкості вольт-амперної характеристики, що в свою чергу призводить до стійкості роботи джозефсонівського багатошарового контакту при реєстрації зовнішніх електромагнітних полів. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де представлено схематичне зображення симетричного джозефсонівського багатошарового контакту з двома ненадпровідними шарами, що запобігають впливу закороток на тунельний струм, де 1 - ізолююча підкладка, 2 - нижній надпровідний електрод, 3 - надтонка плівка ізолятора з дефектами, 4 - верхній надпровідний електрод, 5 - надпровідні закоротки, 6 і 7 - ненадпровідні проміжні шари, блокуючий надпровідний компонент струму, що протікає через закоротки 5. Завдяки тому, що в запропонованому технічному рішенні в джозефсонівскому багатошаровому контакту надпровідного магнетометра для реєстрації змінних електромагнітних полів між плівкою ізолятора і верхнім надпровідним електродом розміщується додатковий шар ненадпровідного металу, ідентичний за складом і товщиною нижньому ненадпровідному шару, підвищується стійкість роботи джозефсонівського багатошарового контакту при реєстрації зовнішніх електромагнітних полів за рахунок усунення нестійкості вольт-амперної характеристики. Наводимо приклад конкретного виконання (див., креслення). На сапфірову підкладку 1 напилюється нижній електрод 2 з ніобію, на який напилюється шар алюмінію товщиною 50 нм, який потім окислюється на глибину 1 нм, утворюючи ізолюючу плівку 3 з оксиду алюмінію Аl2О3 й розміщений під нею ненадпровідний шар 6. Далі на цю плівку напилюється додатковий шар 7 алюмінію товщиною, що дорівнює різниці товщин першого алюмінієвого шару й ізолюючої плівки, після чого напилюється верхній електрод з ніобію. Джозефсонівский багатошаровий контакт надпровідного магнітометра для реєстрації змінних електромагнітних полів, виконаний у відповідності з вище вказаним прикладом підвищує стійкість роботи джозефсонівського багатошарового контакту за рахунок усунення нестійкості вольт-амперної характеристики. Корисна модель може знайти широке застосування в галузі вимірювальної техніки, а саме при створенні нових типів надвисокочутливих надпровідникових магнітометрів для безконтактного контролю змінних електромагнітних полів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Джозефсонівский багатошаровий контакт надпровідного магнітометра для реєстрації змінних електромагнітних полів, який містить розміщений на ізолюючій підкладці нижній електрод, виконаний з надпровідників, і послідовно розміщені на ньому шар ненадпровідного металу, плівку ізолятора і верхній надпровідний електрод, який відрізняється тим, що між плівкою ізолятора і верхнім надпровідним електродом розміщується додатковий шар ненадпровідного металу, ідентичний за складом і товщиною нижньому ненадпровідному шару. 2 UA 84867 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3