Паспорт проекта

Название проекта

Сверхпроводящие гибридные структуры и метаматериалы для элементов квантовой электроники

Руководители проекта

доктор физ.-мат. наук ШитовСергей Витальевич

Цели проекта

- совершенствование технологической и экспериментально-приборной базы НИТУ МИСиС для проведения прорывных фундаментальных и прикладных исследований

- исследование физических основ и разработка принципиально новых метаматериалов для элементов и приборов сверхпроводящей квантовой электроники и спинтроники на основе сверхпроводящих и гибридных структур в составе сверхпроводящих метаматериалов, функционирующих на основе управления индуктивностью джозефсоновского тока с помощью магнитного поля, в том числе, с использованием распределенных решеток джозефсоновских туннельных переходов, для генерации, усиления, детектирования и управления микроволновыми сигналами, в том числе, для манипуляции кубитами, включая проблему увеличения жизни кубитов;


- изготовление и тестирование новых джозефсоновских микро- и нано-размерных электродинамических структур с использованием тонких пленок сверхпроводников, нормальных металлов и ферромагнетиков.

Задачи проекта

- Разработка, создание и исследование активных метаматериалов, включая многоэлементные одномерные и двумерные распределенные структуры (линии и решетки) с демпфированными и недемпфированными джозефсоновскими контактами для генерации микроволновых и терагерцовых сигналов и двумерные массивы джозефсоновских элементов с квантовым уровнем шума для усиления сверхслабых микроволновых сигналов и широкополосной регистрации состояний кубитов. Развитие численного анализа двухмерных сверхпроводящих метаматериалов, их параметров и режимов работы на основе моделирования многоэлементных структур с джозефсоновскими контактами в зависимости от степени их демпфирования, условий окружающей среды с учетом тепловых флуктуаций и избыточных (индустриальных) шумов.

- Разработка, создание и исследование искусственных оптических сред на основе двумерных управляемых метаматериалов из решеток копланарных волноводов, нагруженных джозефсоновскими контактами; разработка, создание и исследование на их основе двумерной линзы Веселаго с управляемым фокусом и направлением распространения фазового фронта в области частот 4-14 ГГц. 

- Разработка, создание и исследование джозефсоновских переключателей, в том числе на основе однодоменных магнитных барьеров путем масштабирования джозефсоновских переключателей, а также элементов магнитной памяти на основе инверторов сверхпроводящей фазы (0-pi-контактов) и на основе низкоразмерных структур сверхпроводник/ферромагнитный диэлектрик с переключением магнитным полем и импульсами света для создания в перспективе сверхбыстрой сверхпроводящей памяти управляемой фемтосекундными лазерными импульсами.

- Разработка, создание и оптимизация матриц сверхпроводящих болометров на основе микро-мостиков из гафния с мультиплексным бесконтактным опросом и микроволновым считыванием для создания детектирующих метаповерхностей (электронной фотопленки) для анализа распределения микроволновой энергии в метаматериалах, включая разработку экспериментальной установки с применением цифрового программируемого генератора гребенчатого спектра для мультиплексного бесконтактного опроса матриц болометров и систем кубитов на основе технологии FPGA.

- Разработка, создание и оптимизация высокодобротных резонаторов с тороидным откликом для увеличения жизни сверхпроводящих кубитов за счет эффекта анаполя. 

Уникальность проекта

Уникальность сверхпроводящих метаматериалов состоит в их пренебрежимо малых потерях и возможности управлять их свойствами с помощью слабого магнитного поля. Проект наследует успех предыдущих исследований и направлен на создание рекордных устройств: квантовых распределенных усилителей и генераторов на решетках джозефсоновских контактов, матриц сверхпроводящих болометров с мультиплексным бесконтактным опросом, управляемой канализация микроволн с применением двухмерных леворуких метаматериалов (сверхпроводящая двухмерная линза Веселаго), а также новых элементов памяти для компьютеров нового поколения с рекордно низким электропотреблением.

Актуальность проекта

Комплекс проводимых исследований состоит из новых взаимопроникающих задач, актуальность которых подтверждается современными трендами сверхпроводниковой электроники, в том числе, солидным финансированием наших западных коллег.

Оборудование

Криогенное оборудование с уникальным температурным диапазоном:

1. Криостат растворения фирмы "Оксфорд инструментс" (Англия) замкнутого цикла с базовой температурой 16 мК.

2. Криостат замкнутого цикла фирмы "Оксфорд инструментс" (Англия) с базовой температурой 1,2 К.

Контрольно-измерительное оборудование аналитического уровня:

1. Анализатор СВЧ цепей фирмы Agilent до частоты 20 ГГц.

2. Анализатор СВЧ цепей фирмы Rhode & Schwarz до частоты 20 ГГц.

3. Спектроанализатор фирмы Agilent до частоты 26 ГГц.

4. Цифровой осциллограф фирмы Agilent до частоты 2 ГГц.

5. Комплект поверочного низкочастотного контрольно-измерительного обрудования (мультиметры, осциллографы, генераторы).

 

Технологическое оборудование для изготовления микрочипов:

1. Чистая комната класса 10000 для проведения фотолитографических работ, оборудованная ламинарным шкафом класса 100.

2. Высоковакуумная установка Pfeiffer Vacuum для роста тонких пленок металлов и диэлектриков методом магнетронного распыления

3. Установка безмасковой лазерной литографией ”μPG 501” производства фирмы Heidelberg Instrumets Mikrotechnik GmbH (Германия).

4. Профилометром KLA-Tenсor P-7 с разрешением лучше 10 ангстрем.

5. Установка плазмохимического травления SI 591 Compakt, производства фирмы Sentech Instruments GmbH (Германия) для создания микроструктур.

6. Оптический микроскоп Leica DM4000M с цифровой камерой DFC295.

7. Комплект фотолитографического оборудования (центрифуга и печи).

8. Прецизионная пила с ЧПУ для скрайбирования и резки подложек на чипы MTI SYJ-400.

9. Растровый электронный микроскоп JEOL JSM-6610LV с возможность изучения различных объектов в различных типах сигналов (отраженные электроны, вторичные электроны) с увеличением от х5 до х100 000 и пространственным разрешением до 3 нм.  

Патенты

патент на изобретение № 2579813

Мероприятия научного коллектива

Внутренние лабораторные семинары 

Партнёрство и сотрудничество

В рамках проекта активно идет коллаборация с ведущими специалистами ИФТТ РАН, МФМ РАН, НИИЯФ МГУ, ИРЭ РАН, тспользуется их технологическая и экспериментальная база, что дает возможность специалистам ЛСММ НИТУ «МИСиС» выполнять амбициозные задачи, поставленные в данном проекте, а самой лаборатории (ЛСММ) быть точкой притяжения и роста отечественной прикладной науки.

Разработка метаматериалов с искусственными свойствами, в том числе, сверхпроводящих метаматериалов, электрическими свойствами которых можно управлять с помощью магнитного поля является новым направлением в современной науке. Управляемыми элементами сверхпроводящих метаматериалов на сегодня являются джозефсоновские переходы, новые виды которых предполагается развивать в рамках предлагаемого проекта. Некоторые новые и уникальные свойства сверхпроводящей электроники связывают с развитием сверхпроводящей спинтроники, квантовых битов, практических генераторов, усилителей с квантовым уровнем шумов, манипуляцией микроволновым излучением, с созданием сверхчувствительных сенсоров и многими другими достижениями прикладной физики. Надо признать, что ученые НИТУ «МИСиС» до сих пор занимались почти исключительно фундаментальными вопросами сверхпроводимости. Однако, востребованность практических устройств на основе эффектов сверхпроводимости, в том числе, в области создания метаматериалов, дает новый импульс для развития сверхбыстрой электроники нового поколения, обеспечивающей низкое энергопотребление, сверхбыструю передачу и обработку данных, в том числе, кодируемых квантами.

На базе имеющегося в НИТУ «МИСиС» оборудования уже спроектирован и создан ряд новых структур, отлажена технологическая цепочка их производства, создан и усовершенствован ряд экспериментальных установок и экспериментальных методов тестирования полученных образцов. Это уже позволило продемонстрировать лабораторные образцы элементов новой сверхпроводящей электроники, измерить их параметры и оценить перспективы их дальнейшего использования.

A.A. Golubov, M.Yu. Kupriyanov, M.M. Khapaev, Abrikosov vortices in SF bilayers, JETP Letters 104, 12 (2016).

 A.L. Pankratov, E.V. Pankratova, V.A. Shamporov, S.V. Shitov, Oscillations in Josephson transmission line stimulated by load in presence of noise, Applied Physics Letters, 110, 112601 (2017). 

S.V. Shitov, A.A. Kuzmin, M. Merker, V.I. Chichkov, A.V. Merenkov, A.B. Ermakov, A.V. Ustinov, M. Siegel, Progress in development of the superconducting bolometer with microwave bias and readout, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 27, 4, (2017).


L.S. Revin, A.L. Pankratov, A.V. Chiginev, D.V. Masterov, A.E. Parafin, S.A. Pavlov, Anysotropy of dense soliton chain propagation in YBCO long Josephson junctions, Chaos, Solitons and Fractals, находится на рецензии.

6 докторов наук,

8 кандидатов наук

5 инженеров

3 аспиранта НИТУ «МИСиС»

4 студента НИТУ «МИСиС»

1 студент другого ВУЗа

Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика