Сверхпроводящие метаматериалы – это искусственные структуры с удивительными электромагнитными свойствами, не существующими в природных материалах. Передача электромагнитного сигнала в метаматериалах происходит на частотах, близких к внутренним резонансам отдельных структурных элементов – «мета-атомов», которые являются «кирпичиками», а точнее говоря «камертонами», передающей линии. В метаматериалах из обычных (нормальных) металлов электромагнитные волны быстро затухают, что обусловлено энергетическими (резистивными) потерями. В нашем проекте мы хотим создать технологию передающих микроволновых линий с ультра-низкими потерями. Новые электромагнитные метаматериалы будут состоять из сверхпроводящих элементов с размерами от сотен нанометров до нескольких микрон. В отличие от метаматериалов, созданных к настоящему времени на основе нормальных металлов, элементы сверхпроводящих метаматериалов могут быть миниатюрными, и обладать при этом ничтожными энергетическими потерями. Топология сверхпроводящих тонкопленочных схем является гибкой, что объясняется использованием ультрасовременной тонкопленочной технологии. Такая технология напыления тонких пленок позволяет создавать структурные элементы с идеально точной топологией и, что особенно важно, интегрировать в схему сверхпроводящие туннельные переходы с эффектом Джозефсона. Такие туннельные переходы имеют уникальную способность не только менять свою индуктивность под действием магнитного поля, что позволяет перестраивать полосу частот передаваемых сигналов, но и демонстрировать два и более квантовых состояний, подобно атомам. Уникальным в развиваемом нами подходе является то, что сверхпроводники предоставляют интригующую возможность изучения квантовых эффектов в метаматериалах.

Мы планируем начать с экспериментальной демонстрации низких энергетических потерь и управляемой частотной селекции в сверхпроводящих метаматериалах в диапазоне сверхвысоких частот, используя одномерные передающие линии. Затем будут исследованы распределенные двумерные передающие структуры. Экспериментальные результаты будут сравниваться с теоретическими расчетами и результатами численного моделирования для того, чтобы добиться детального понимания, как провести «тонкую настройку» функциональных электромагнитных характеристик передающей линии.

В долгосрочной перспективе мы сосредоточим внимание на электромагнитных свойствах сверхпроводящих мета-атомов, которые представляют собой ансамбль квантовых битов (кубитов). Сверхпроводниковые кубиты представляют собой  искусственные квантовые двухуровневые системы, которые пригодны для хранения и обработки информации в квантовом компьютере. Квантовый метаматериал концептуально представляет собой цепочки кубитов, встроенные в систему сверхпроводящих передающих линий. Мы предвидим вскоре появление таких новых понятий как инжиниринг материалов из искусственных квантовых структур – искусственно сконструированных «атомов», которые будут взаимодействовать с электромагнитным полем в тысячи раз сильнее, чем атомы, известные в природе. Все это открывает захватывающие перспективы в области манипуляции квантовой информацией, кодируемой электромагнитным полем.

Статьи, опубликованные в международных рейтинговых журналах, а также развернутые тезисы докладов на ведущих международных конференциях дают возможность непредвзято оценить научно-технические результаты работы лаборатории за 2015 год. Среди них можно выделить следующие. Продемонстрирован и изучен параметрический когерентный отклик одномерного массива высокочастотных СКВИДов, встроенных в копланарный волновод. Такие массивы могут быть использованы для создания искусственных активных сред и для нелинейных преобразований СВЧ сигналов. Детальное исследование микроволновых свойств планарных сверхпроводящих «леворуких» линий передачи продолжено в целях улучшения в направлении согласования импеданса этих линий с внешними цепями. В «леворукую» структуру был имплантирован

специальный трансформатор импеданса на основе модифицированного копланарного волновода, сконструированного по принципам электромагнитного метаматериала. Нами была изучена возможность создания перестраиваемого квазиоптического фильтра на сверхпроводящем двумерном метаматериале для применения в детекторах для астрономии и в высокочастотной сверхпроводящей электронике терагерцового диапазона волн.

В научном коллективе проекта работают:

6 докторов физико-математических наук,

5 кандидатов физико-математических наук,

4 аспиранта,

6 студентов,

1 инженер