Паспорт проекта

Название проекта

Лаборатория "Сверхпроводящие метаматериалы"


Лаборатория  создана  в НИТУ "МИСиС"  в рамках мега-гранта Правительства РФ. Постановление № 220

Руководители проекта

проф., д.ф.-м.н. Устинов Алексей ВалентиновичТехнологический институт Карлсруэ, Германия

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.

Актуальность проекта

Новая и перспективная область исследований сверхпроводящих метаматериалов появилась лишь несколько лет назад и сейчас бурно развивается. В настоящий момент можно признать, что общее направление исследований, выбранное нами для этой лаборатории в МИСиС, оказалось на переднем крае современного развития, как для широкой области метаматериалов в целом, так и для специализированного направления сверхпроводящей электроники.

Наше основное внимание останется сосредоточенным на электромагнитных материалах с ультра-низкими потерями, составленных из цепей сверхпроводящих элементов.

Одним из наших приоритетов на ближайшее будущее станет распространение нашей деятельности на создание новых устройства в области космических исследований, коммуникаций и сенсорных технологий.


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.

Заявка на выдачу патента на изобретение (регистрационный номер 2014153833) 

Мероприятия научного коллектива

Лаборатория сверхпроводящих метаматериалов под руководством  Алексея Валентиновича Устинова организует в МИСИС проведение регулярных Шмидтовских семинаров по сверхпроводимости.

В рамках реализации проекта в 2014-2015 году было организовано пятнадцать Шмидтовских семиранов с выступлениями известных международных ученых с оригинальными докладами в области сверхпроводимости /o:p>

арных 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.

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 период 2015-2018 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

6 докторов физико-математических наук,

5 кандидатов физико-математических наук,

4 аспиранта,

6 студентов,

1 инженер

Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика