- Научные направления
- Решения для бизнеса
- Спецпроекты
- Ученые
- Мнения
- События
- Для ученых
- Потенциал
Название проекта
Нанотехнологии и новые материалы
Руководители проекта
Устинов Алексей Валентинович, проф., д.ф.-м.н.
Цели проекта
Исследование физических свойств сверхпроводящих метаматериалов: искусственных материалов на основе электромагнитных структур.
Задачи проекта
Работа над созданием линейных и нелинейных, а также бифуркационных и параметрических метаматериалов, перестраиваемых леворуких линий передачи, ультра-компактных резонаторов, использующих гигантскую кинетическую индуктивность, гибридных метаматериалов.
Уникальность проекта
Использование сверхпроводников для изготовления метаматериалов позволяет уменьшать размеры мета-атомов вплоть до наномасштаба, сохраняя при этом низкие потери, высокую однородность и частотную перестройку. Этот подход открывает возможность для создания новых сверхпроводящих устройств с нетривиальными электромагнитными свойствами, которые могут функционировать, как ультра-компактные антенные решетки, фазовые модуляторы, интегральные настраиваемые вентили, активные излучающие решетки, болометры нового типа, и. т. д.
Оборудование
Лаборатория сверхпроводящих материалов обладает современной технологической и экспериментальной базой. В первую очередь это технологическая зона, криостаты и СВЧ-оборудование. Оба наши криостата замкнутого цикла были введены в эксплуатацию в сентябре 2012 года. Оборудование для микроволновых измерений было запущено в конце 2012 года, а технологическая зона заработала в 2013 году. 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.
Мероприятия научного коллектива
Лаборатория сверхпроводящих метаматериалов под руководством Алексея Валентиновича Устинова организует в МИСИС проведение регулярных Шмидтовских семинаров 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.
· 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
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.
2015 | A. V. Ustinov | Multiphoton dressing of an anharmonic superconducting many-level quantum circuit | Phys. Rev. B |
2015 | A.V. Ustinov | Observation of directly interacting coherent two-level systems in an amorphous material | Nature Communications |
2015 | A.V. Ustinov | The sine-Gordon Equation in Josephson-Junction Arrays | Nonlinear Systems and Complexity |
2015 | A.V. Ustinov | Dispersive response of a disordered superconducting quantum metamaterial | Photonics |
2015 | A.V. Ustinov | Experimental study of spectral properties of a Frenkel- Kontorova system | Phys. Rev. Lett. |
2015 | A.V. Ustinov | One-dimensional Josephson junction arrays: Lifting the Coulomb blockade by depinning | Phys. Rev. B |
2015 | A.S. Averkin, N. Maleeva, V.P. Koshelets, L.V. Filippenko, A. Karpov, A.V. Ustinov | Imaging coherent response of superconducting metasurface | IEEE Trans. on Appl. Supercond. |
2016 | А.В. Устинов | Decoherence spectroscopy with individual two-level tunneling defects | Scientific Reports |
2016 | А.В. Устинов | 1D Josephson quantum interference grids: Diffraction patterns and dynamics | Journal of Physics D – Applied Physics |
2016 | А.В. Устинов | Concentric transmon qubit featuring fast tunability and an anisotropic magnetic dipole moment | Applied Physics Letters |
2016 | А.В. Устинов | Aluminium-oxide wires for superconducting high kinetic inductance circuits | Superconductor Science & Technology |
2016 | А.В. Устинов | Analog quantum simulation of the Rabi model in the ultra-strong coupling regime | Nature Communications |
2016 | А.В. Устинов | Electrically and Magnetically Resonant dc SQUID Metamaterials | Applied Physics A |
2017 | А.В. Устинов | Coherent oscillations of driven rf SQUID metamaterials | Physical Review E |
2017 | А.В. Устинов | Electronic Decoherence of Two-Level Systems in a Josephson Junction | Physical Review B |
2017 | Устинов А.В., Гусенкова Д.А. | An argon ion beam milling process for native AlOx layers enabling coherent | Applied Physics Letters |
2017 | А.В. Устинов | Rabi noise spectroscopy of individual two-level tunneling defects | Physical Review B |
2017 | А.В. Устинов | Transmission-line resonators for the study of individual two-level tunneling systems | Applied Physics Letters |
2017 | Шульга К.В., Устинов А.В. | Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits | Nature Communications |
2018 | Устинов А.В. | Charge Quantum Interference Device | Nature Physics |
2018 | Устинов А.В. | Local sensing with the multilevel ac Stark effect | Physical Review A |
2018 | Устинов А.В. | Quantum simulation of the spin-boson model with a microwave circuit | Physical Review A |
2018 | Устинов А.В. | Probing individual tunneling fluctuators with coherently controlled tunneling systems | Physical Review B Rapid Communications |
В научном коллективе проекта работают:
6 докторов физико-математических наук,
5 кандидатов физико-математических наук,
4 аспиранта,
6 студентов,
1 инженер