Паспорт проекта

Название проекта

Физические основы современной микро- и наноэлектроники, включая сверхпроводящую электронику и спинтронику 

Руководители проекта

Рязанов Валерий Владимирович, проф., д.ф.-м.н. 

Цели проекта

Создание физических основ принципиально новых элементов и устройств сверхпроводящей электроники и спинтроники на основе гибридных нано- и микроструктур; проведение прорывных исследований на базе технологической и приборной базы НИТУ «МИСиС»

Задачи проекта

1. Доработка переходов сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник с целью использования их для реализации Джозефсоновской магнитной памяти и сверхпроводящих инверторов фазы. Разработка данных устройств ведётся с целью существенно уменьшить размеры ячеек сверхпроводящей цифровой логики и увеличить время когерентности квантовой сверхпроводящей логики на основе кубитов.

2. Использование сверхтонкопленочных неупорядоченных сверхпроводников для создания компактных антенн ВЧ и СВЧ-диапазона, востребованных в астрофизике, космических исследованиях, телекоммуникационной сфере.

3. Реализация матриц сверхпроводящих болометров с частотным мультиплексированием.

Уникальность проекта

Проект посвящен созданию принципиально новых элементов перспективной сверхпроводящей электроники, которая обладает рекордными быстродействием и энергоэффективностью

Актуальность проекта

Создание направления, связанного с развитием физических основ современной микро- и наноэлектроники, крайне необходимо НИТУ “МИСиС” как современному технологическому университету. В НИТУ “МИСиС” многие годы развивались направления, связанные с физикой и химией полупроводников. Однако, по всем прогнозам (и насыщению известной “зависимости Мура”, свидетельствующему о невозможности прежними темпами увеличивать интеграцию полупроводниковых элементов электроники) предстоит существенная смена концепции электроники на основе развития новых гибридных структур из нормальных металлов, сверхпроводников, ферромагнетиков, других новых материалов (таких как графен, топологические изоляторы); создания новых логических сред на основе использования спинов электронов (спинтроники).

Оборудование

Лаборатория сверхпроводящих материалов обладает хорошей технологической и экспериментальной базой. В первую очередь это технологическая зона, криостаты и СВЧ-оборудование.

В приложении 1 подробно перечислено основное оборудование Лаборатории сверхпроводящих материалов, которое активно используется в рамках реализации проекта.


Патенты

Усиливающий сверхпроводящий метаматериал

Авторы:

Шитов С.В., Эймонт С.В., Устинов А.В.

Заявка на выдачу патента на изобретение (регистрационный номер 2014153833)

Мероприятия научного коллектива

Лаборатория сверхпроводящих метаматериалов организует проведение серии Шмидтовских семинаров по сверхпроводимости.

В рамках реализации проекта было организовано пятнадцать Шмидтовских семиранов с выступлениями известных международных ученых с оригинальными докладами по сверхпроводимости.

Партнёрство и сотрудничество

Наши партнеры:

·       Технологический Институт Карлсруэ, Германия

·       Российский квантовый центр (РКЦ), Сколково, Россия

·       Институт фотонных технологий, Йена, Германия

·       Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород, Россия.

·       Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына, Россия.

·       Nippon Electric Corporation (NEC), Япония

·       Рурский Университет Бохума, Германия

·       Университет Лафборо, Великобритания

·       Университет Твенте, Голландия

·       Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, Россия

·       Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Россия

Несмотря на такую чисто психологическую проблему как криофобия, а также реальные проблемы развития сверхпроводящей электроники, рынок этой новой электроники постоянно расширяется. Такие известные производители сверхпроводящей электроники как HYPRESS, Inc. (www.hypres.com) имеют вполне надежных заказчиков. Их продукция включает первичные эталоны вольта, джозефсоновские приемники для радиоастрономии, SQUID-усилители, аналого-цифровые преобразователи и цифровые синтезаторы в L-полосе частот. Наступает время, когда прикладные исследования сверхпроводящих (и гибридных) структур для развития новой сверхбыстрой электроники выходят на первый план. Об этом, например, свидетельствует новая 5-летняя американская программа по сверхпроводящему компьютингу (программа C3: IARPA Cryogenic Computing Complexity (C3) Program). Сверхпроводящая «одноквантовая» или RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) цифровая электроника обеспечивает уникальные характеристики: наряду с высоким быстродействием (более 100 ГГц) и низким энергопотреблением (менее 1 мкВт на управляющий канал при 100 ГГц) она позволяет передавать по сверхпроводящим линиям пикосекундные SFQ-импульсы с пренебрежимыми потерями, дисперсией и помехами на сантиметровые расстояния со скоростью близкой к скорости света. Одна из основных проблем этой сверхбыстрой электроники - отсутствие компактной, быстрой, энергетически эффективной памяти, совместимой с RSFQ-цепями. Объявление Программы C3 связано с тем, что появилась, надежда, что последние фундаментальные достижения в развитии тонкопленочных структур сверхпроводник/ ферромагнетик (SF-структур) помогут разрешить эту проблему. Недавние патенты двух конкурирующих американских групп (возглавляемых бывшими российскими учеными), основаны на использовании магнитных джозефсоновских элементов (SFS переходов), пионерами в исследовании которых являются участники настоящего проекта. Ключевыми участниками программы, как предполагается будут Northrop Grumman (Electronics Systems, Maryland) и MIT Lincoln Laboratory. Уже сейчас устройства сверхпроводящей электроники позволяют оцифровывать и усиливать сигналы с частотой выше 20 ГГц непосредственно на приемной антенне. Еще одним недостатком, который препятствует широкому развитию сверхпроводящей электроники, являются принципиально большой размер базовой ячейки (связанный с необходимостью удерживать кванты магнитного потока) и отсутствие компактной, быстрой джозефсоновской памяти. Решение двух указанных проблем сверхпроводящей электроники – одна из целей проекта. Кроме того, предполагается использовать новые современные подходы для разработки нового типа приемных антенн и приемников микроволновых излучений, основанных на новых физических явлениях в сверхпроводниках, активно изучаемых в настоящее время. Помимо этих, достаточно конкретных задач, предполагается проведение поисковых исследований, связанных с использованием в качестве барьеров в джозефсоновских наноструктурах таких новых материалов как графен, топологический изолятор, полупроводниковые двумерные слои с большим спин-орбитальным электронным взаимодействием и др. Особенности электронных (дираковских) спектров и электронной динамики обещают много новых эффектов, которые возможно использовать в новой наноэлектронике и спинтронике.

Статьи, опубликованные в международных рейтинговых журналах, а также развернутые тезисы докладов на ведущих международных конференциях дают возможность непредвзято оценить научно-технические результаты работы лаборатории в рамках проекта за 2014- 2015 год. Среди них можно особо выделить следующее.

1. Для реализации джозефсоновской магнитной памяти изготовлена простейшая комплементарная переключающая ячейка на основе джозефсоновских переходов с магнитным барьером из слабомагнитного сплава PdFe. Продемонстрировано переключение комплементарных каналов магнитным полем.

2. Изготовлены джозефсоновские pi-контакты с высокими критическими характеристиками, пригодными для реализации цифровых сверхпроводящих (SFQ) устройств.

3. На основе сверхтонких (4-8 нм) плёнок NbN разработаны образцы двухзаходных спиральных структур, которые являются основой компактных антенн. Ведется подготовка криогенной установки для измерения СВЧ характеристик компактных двухзаходных спиральных структур и их сопоставление с моделью резонатора на основе двухпроводной линии.

4. Разработаны матрицы сверхпроводящих болометров с мультиплексным бесконтактным опросом, основанные на СВЧ-смещении и сверхбыстром СВЧ-опросе. Использован гибридный подход, сочетающий концепции многолучевой интегральной линзовой антенны и многолинзовый «мушиный глаз». Выбрано число пикселей на чипе – 7: 6 пикселей расположены в углах гексагона и 1 пиксель в центре. Семь чипов с линзами, содержащие по 7 пикселей каждый, собраны в гексагональную матрицу-кластер, содержащую 49 пикселей. Максимальная скорость опроса определяется шириной полосы резонаторов и составит 2-3 мкс. Экспериментальные матрицы изготавливались с использованием пленок ниобия, полученных магнетронным напылением на сапфировую подложку.

1. I.I. Soloviev, N.V. Klenov, S.V. Bakurskiy, V.V. Bol'ginov, V.V. Ryazanov, M.Yu. Kupriyanov, A.A. Golubov, Josephson magnetic rotary valve, Appl.Phys.Lett. 105, 242601 (2014)

2. A.V. Shcherbakova, K.G. Fedorov, K.V. Shulga, V.V. Ryazanov, V.V. Bolginov, V.A. Oboznov, S.V. Egorov, V.O. Shkolnikov, M.J. Wolf, D. Beckmann and A.V. Ustinov,

Fabrication and measurements of hybrid Nb/Al Josephson junctions and flux qubits with π-shifters, Supercond. Sci. Technol. 28, 025009 (2015)

3. S.V. Shitov, A.A. Kuzmin, M.Merker, M.Arndt, S.Wuensch,  K.Ilin,  N.Abramov, E.Erhan, A.V. Ustinov, M.Siegel, Wide-Range Bolometer with RF Readout TES, IEEE Trans. Appl. Supercond. 25, 3 (2014)

В научном коллективе проекта работают:

4 доктора  физико-математических наук,

4 кандидата физико-математических наук,

3 аспиранта,

4 студента,

1 инженер


Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика