АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Эффект разогрева электронов в тонких сверхпроводящих плёнках

Эффект разогрева электронов в тонких сверхпроводящих плёнках — явление, при котором электроны в тонкой сверхпроводящей плёнке приобретают избыточную кинетическую энергию под воздействием электромагнитного излучения или протекающего по ней электрического тока[1]. Носители заряда в полупроводниках (электроны и дырки) в плёнке становятся «горячими», распределение их энергий смещается относительно равновесного распределения при данной температуре в сторону больших энергий. Степень «разогрева» носителей заряда зависит от величины электрического поля, подвижности носителей тока, скорости передачи ими энергии фононам. Данный эффект возможен только при криогенных температурах.

Разогрев электронов в сверхпроводящих плёнках приводит к изменению физических характеристик плёнки, например, её оптических констант, магнитной восприимчивости, электрического сопротивления. На основе эффекта электронного разогрева в тонких сверхпроводящих плёнках разработаны рекордные по характеристикам малошумящие и широкополосные смесители терагерцевого диапазона, требующих малой мощности гетеродина, а также сверхпроводниковые однофотонные инфракрасные и оптические детекторы, обладающие пикосекундным быстродействием, высокой квантовой эффективностью и рекордно малым числом ложных срабатываний.

История

В твёрдых телах электронная система может иметь эффективную температуру, отличающуюся от термодинамической температуры решётки. В сверхпроводниках это явление впервые наблюдали в Проблемной радиофизической лаборатории (ПРФЛ) МГПИ (ныне Учебно-научный радиофизический центр — УНРЦ ИФТИС МПГУ) Е. М. Гершензон, Г. Н. Гольцман и их сотрудники (статья об обнаружении данного явления была опубликована в 1981 г.)[2].

В эксперименте использовались тонкие плёнки ниобия толщиной d = 100 Å, шириной W = 1-10 мкм и длиной L > 5 мм, переведённые в резистивное состояние (промежуточное состояние, когда магнитное поле, транспортный ток или температура близки к критическим). Плёнки были нанесены на сапфировые (или кремниевые) подложки высокочастотным распылением. Геометрия образцов формировалась с помощью фотолитографии. Измерения проводились в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн (λ = 0,25-8 мм) с применением ламп обратной волны (ЛОВ), допускающих плавную перестройку в широкой области частот и высокочастотную амплитудную модуляцию. Частота модуляции (до 109 Гц) достигалась путём изменения анодного напряжения ЛОВ и использования биений интенсивности излучения двух сдвинутых по частоте генерации ЛОВ. Отдельные измерения были выполнены и на более длинных волнах (λ ≥ 3 см) с помощью клистронов[3].

Изучение эффекта разогрева электронов, проявляющегося в увеличении сопротивления тонкой сверхпроводящей плёнки под действием излучения, показало его независимость от частоты в окрестности равновесной энергетической щели и малую инерционность (постоянная времени τ = 1 нс). В последующих работах было проведено исследование этого эффекта в значительно более широком диапазоне частот, рассмотрено неселективное воздействие электромагнитного излучения на тонкую сверхпроводящую плёнку в резистивном состоянии[4]. При этом было показано, что данный эффект:

  • является неселективным (величина отклика определяется только мощностью или энергией импульса излучения и не зависит от его частоты; экспериментально доказана неселективность разогрева электронов в тонких сверхпроводящих плёнках в диапазоне частот 1010-1015 Гц);
  • обладает одинаковой инерционностью от радиоволн до области ультрафиолетового излучения;
  • имеет неболометрическую природу.

Полученные результаты свидетельствуют о значительной роли электрон-электронных столкновений в формировании функции распределения квазичастиц в тонкой сверхпроводящей плёнке.

Полупроводниковые смесители на «горячих электронах» разрабатывались в 1960-х гг. Наибольшее распространение получил такой смеситель из материала n-InSb. Демонстрируя рекордно низкую по тем временам шумовую температуру на субмиллиметровых волнах (500 К на частоте 500 ГГц), он в то же время обладал, двумя существенными недостатками[5]:

  • высокая чувствительность реализуется при высокой подвижности и довольно низкой концентрации электронов, так что поглощение излучения электронным газом начинает падать с ростом частоты ω уже в субмиллиметровом диапазоне длин волн (ωτ ≥ 1, где τ — время релаксации импульса электронов), и для работы на высоких частотах необходимо резонансное магнитное поле (циклотронный резонанс);
  • время релаксации энергии электронов велико (порядка 10−6 с), и полоса такого смесителя оказывается слишком узкой (около 1 МГц).

Оба этих недостатка были преодолены в сверхпроводниковых HEB-смесителях (HEB — «Hot Electron Bolometer») на «горячих электронах». Первая работа, посвящённая таким устройствам, была опубликована в 1990 г. Она стала продолжением работ по исследованию релаксации энергии электронов в разупорядоченных металлах и сверхпроводниках.

Создание сверхпроводниковых однофотонных инфракрасных детекторов (SSPD — «Superconducting single photon detector») является результатом фундаментальных исследований неравновесных релаксационных явлений в тонких сверхпроводящих плёнках, проводившихся в научной радиофизической школе МГПИ в 1980-х гг. В ходе работ были обнаружены фотоиндуцированные центры проскальзывания фазы в токонесущей тонкой сверхпроводящей плёнке, разработаны однофотонные ИК детекторы с уникальными характеристиками[6].

Физическое объяснение

Эффект разогрева электронов состоит в том, что с уменьшением толщины сверхпроводящих плёнок (< 10 нм для NbN) увеличивается роль электрон-электронных столкновений в процессах энергообмена. Малая толщина плёнки способствует более быстрому установлению распределения электронов с температурой большей, чем температура решётки. Если в плёнках имеется большое число статических дефектов, то электроны рассеиваются не только на границах, но и на этих дефектах. В результате роль электрон-электронных столкновений становится определяющей в формировании функции распределения Ферми. При воздействии электромагнитного излучения на такие плёнки, поглощённая энергия распределяется по электронной подсистеме, увеличивая её температуру. При этом наблюдается рост сопротивления плёнки[7].

Процессы энергетической релаксации

При протекании электрического тока в металле выделяется теплота. Изготовив очень тонкую плёнку из металла (толщиной ~10 нм) на диэлектрической подложке и сформировав из неё узкую и короткую полоску, можно изучать неравновесные явления в электронном газе металла, в том числе и сверхпроводящего. Наиболее интересно для исследования внешнее воздействие в виде облучения тонкой сверхпроводящей плёнки электромагнитным излучением.

undefined

Рассмотрим процессы энергетической релаксации «горячих» электронов в системе «тонкая плёнка — подложка», находящейся при температуре сверхпроводящего перехода[9]. Будем считать, что после поглощения электромагнитного излучения электронами сверхпроводника в электронном газе устанавливается распределение квазичастиц, описываемое функцией распределения Ферми, с температурой, превышающей температуру решётки сверхпроводника.

Электрон, поглотивший фотон, частота которого недостаточно высока для участия во внешнем фотоэффекте, приобретает избыточную кинетическую энергию, оставаясь в металле. За счёт столкновения электронов поглощённая энергия излучения распределяется по электронной подсистеме плёнки. Характерное время такого процесса — время электрон-электронного взаимодействия (tе-е). В тонких сверхпроводящих плёнках с малой длиной свободного пробега электронов перераспределение поглощённой энергии внутри электронного газа происходит быстрее его охлаждения путём испускания электронами фононов (электрон-фононного взаимодействия). Время остывания электронной системы определяется временем электрон-фононного взаимодействия (tе-ph).

Если время электрон-фононного взаимодействия велико по сравнению с временем диффузии электронов из плёнки, то релаксация электронной подсистемы будет осуществляться за счёт диффузии. В этом случае говорят о диффузионном канале охлаждении электронной подсистемы. Если же «горячие электроны» не успевают диффундировать из плёнки, а рассеиваются на фононах, то реализуется фононный канал охлаждения электронов. Фононы посредством фонон-фононного взаимодействия могут либо передавать энергию другим фононам, вызывая увеличение температуры плёнки, либо уходить из плёнки в подложку, служащую термостатом, с достаточно малым характерным временем tesc (время ухода фононов из плёнки). В этом случае электронная подсистема будет иметь более высокую температуру, чем решётка. Это оказывает влияние и на сопротивление сверхпроводника.

Поглощение излучения тонкой сверхпроводящей полоской

Существует две основные модели, описывающие процесс поглощения электромагнитного излучения тонкой сверхпроводящей полоской[10].

  • Модель однородного разогрева.

Согласно этой модели, вся плёнка под действием излучения и транспортного тока (ток, который протекает через сверхпроводящий образец, включённый в электрическую цепь, не зависящий от внешнего магнитного поля) переводится в резистивное состояние.

undefined

В модели однородного разогрева предполагается, что температуры электронной и фононной подсистем плёнки не зависят от координат. Данное предположение может быть справедливо лишь приближённо вследствие того, что электронная температура на границе между плёнкой и массивными контактами равна температуре контактов. Физически более правильной является модель неоднородного разогрева, в которой учитывается пространственное изменение температуры.

  • Модель неоднородного разогрева (модель «горячего пятна»).

Согласно этой модели, существует некоторая область плёнки (домен), в которой сверхпроводимость разрушена. Размер нормального домена определяется транспортным током и поглощённой мощностью излучения.

При поглощении плёнкой фотона с энергией ħω > 2Δ (Δ — величина энергетической щели в сверхпроводнике) происходит разрыв куперовской пары и образование двух квазичастиц. Причём одна из них имеет энергию ε1 ~ Δ, а вторая ε2 ≈ ħω — Δ. Температура электронов возрастает, формируется «горячее пятно» — область, в которой сверхпроводящее состояние подавлено. «Горячее пятно» разрастается вследствие диффузии «горячих электронов» из его центра. Это приводит к выталкиванию сверхпроводящего тока к краям полоски. При этом возникает электрическое поле, вытесняющее этот ток в том же направлении.

Если плотность транспортного тока после его перераспределения превысит критическое значение, сверхпроводимость будет разрушена — вдоль всей ширины плёнки сформируется резистивный барьер. Это, в свою очередь, приведёт к возникновению импульса напряжения, амплитуда которого пропорциональна величине транспортного тока. Последующая рекомбинация квазичастиц в плёнке вызовет уменьшение площади «горячего пятна», и, в конечном счёте, к его исчезновению. Сверхпроводимость восстанавливается, и детектор вновь готов к регистрации очередного фотона.

Сверхпроводниковые болометры

Сопротивление тонкой сверхпроводящей плёнки при температуре вблизи сверхпроводящего перехода очень чувствительно к малейшему изменению температуры. В очень узкой области температур вблизи критической температуры Тс сопротивление плёнки меньше, чем у того же металла в нормальном состоянии, но не равно нулю, как в сверхпроводящем. Поглощение фотонов в плёнке приводит к появлению у неё конечных значений сопротивления, то есть возникновению резистивного состояния. На этой основе созданы приёмные устройства — электронные болометры, или сверхпроводящие (сверхпроводниковые) болометры (HEB) — сверхпроводниковые болометры на эффекте электронного разогрева[12].

Приёмным элементом такого болометра является узкая полоска из тонкой (3-4 нм) сверхпроводящей плёнки с субмикронными (до 50 нм) планарными размерами. В сверхпроводниковых болометрах термочувствительные элементы изготовляют из олова, тантала, сплава ниобия с оловом, нитрида ниобия. Особенностью сверхпроводящих болометров является то, что зависимость их сопротивления от температуры вблизи сверхпроводящего перехода очень резкая. Как следствие, достаточно незначительного повышения температуры болометра, чтобы его сопротивление существенно увеличилось. При протекании тока через болометр это приводит к возникновению напряжения на нём, которое можно зарегистрировать.

HEB используется для создания смесителя — основного узла супергетеродинного приёмника, главной особенностью которого является наличие гетеродина, частоту которого можно плавно изменять. Излучение гетеродина смешивается с входным сигналом, при этом образуются колебания относительно низкой (промежуточной) частоты, которые несут информацию о входном сигнале. Используя в качестве смесителя болометр на «горячих электронах», можно создать узкополосные избирательные приёмники в широкой области спектра: от терагерцовых волн до видимого света.

undefined

Некоторые параметры НЕВ-смесителей терагерцового диапазона[14]:

  • рабочий диапазон частот: от 300 ГГц до 70 ТГц.
  • быстродействие (задаётся величиной промежуточной частоты смесителя): 3 ГГц.
  • NEP (Noise Equivalent Power — «мощность эквивалентная шуму», определяется как мощность излучения, падающего на болометр, при которой отношение сигнал-шум равно единице): ~ 10-12 −10-14 Вт · Гц-1/2 (в зависимости от рабочей частоты).

NEP у HEB существенно лучше, чем у любых устройств тех же диапазонов, основанных на других физических принципах.

Для повышения эффективности согласования чувствительной области HEB-смесителя с излучением он интегрируется с широкополосной планарной спиральной антенной. Необходимость антенны связана с тем, что в терагерцовом диапазоне длина волны составляет порядка 0,1 мм, в то время как характерные размеры болометра около 1 мкм. Электромагнитная волна, падая на антенну, наводит в ней высокочастотные токи, которые при протекании через болометр приводят к повышению его температуры[15].

HEB имеют ряд преимуществ, главным из которых является очень высокое быстродействие и широкая полоса приёма электромагнитного излучения. Быстродействие, достигаемое в тонкоплёночных электронных болометрах, изготовленных из различных сверхпроводниковых материалов, составляет для Nb ~ 10-9 с, для NbN ~ 10-11 с, для YBaCuO ~ 10-12 с.

Полоса приёма HEB определяется тем, что температура «горячих электронов» зависит только от мощности электромагнитного излучения и не зависит от его частоты. Основной недостаток таких болометров — необходимость глубокого охлаждения и поддержания низкой температуры сверхпроводящего перехода с высокой точностью.

Благодаря быстрым временам релаксации энергии в данных устройствах, резкой зависимости сопротивления от температуры в области сверхпроводящего перехода и малому объёму чувствительной области болометра удаётся добиться, как предельно высокой чувствительности, так и рекордного быстродействия (~ 50 пс). Созданные коллективом УНРЦ МПГУ сверхпроводниковые болометрические приёмные системы охватывают диапазон частот 300 ГГц-70 ТГц.

Применение

Эффект разогрева электронов в тонких сверхпроводящих плёнках используется для создания чувствительных и быстродействующих смесителей терагерцового диапазона, а также детекторов одиночных фотонов видимого и инфракрасного излучений. На практике данные приборы используются[16]:

Сверхпроводниковые однофотонные детекторы

По мере продвижения супергетеродинной техники в высокие частоты оказалось, что наиболее малошумящие смесители субтерагерцового диапазона — туннельные переходы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (SIS) — резко теряют чувствительность на частоте около 1 ТГц, которая близка к величине энергетической щели в сверхпроводнике (чаще всего Nb). Диоды Шоттки в терагерцовом диапазоне не только малочувствительны, но и требуют относительно большой мощности гетеродина, которую трудно получить с помощью твердотельных источников. При этом сверхпроводниковые однофотонные детекторы SSPD, работающие на основе эффекта разогрева электронов в тонких сверхпроводящих плёнках, не имеют принципиальных ограничений со стороны высоких частот, демонстрируют высокую чувствительность при малой мощности гетеродина.

Основой SSPD является тонкая плёнка NbN толщиной в 4-4,5 нм, критическая температура сверхпроводящего перехода которой Tс ≈ 10 К. Из такой плёнки формируется узкая (~ 100 нм) и длинная (~ 0,5 мм) полоска, заполняющая приёмную площадку размером 10 мкм × 10 мкм. Детектирование фотона основано на эффекте образования «горячего пятна» в плёнке, несущей транспортный ток, при поглощении этой плёнкой фотона. SSPD работают в очень широком диапазоне (от ультрафиолетовых до инфракрасных волн) и способны регистрировать световые потоки от приблизительно одного фотона в минуту (собственный темновой счёт может быть менее одного ложного срабатывания за 10 мин), до 109-1010 фотонов в секунду[17].

Тестирование микросхем

Для проверки правильности схемных решений, контроля качества изготовления и диагностики работы микросхем применяется бесконтактный метод оптической диагностики с пикосекундным разрешением (PICA — «Picosecond Imaging Circuit Analysis»)[18]. Метод основан на регистрации появляющегося в момент переключения каждого полевого транзистора слабого кратковременного импульса излучения из области его канала. При этом необходимо регистрировать излучение, прошедшее сквозь кремниевую подложку.

Кремний прозрачен для ИК излучения с λ > 1,1 мкм, и излучение можно обнаружить с помощью высокочувствительного (однофотонного) быстродействующего детектора. Максимум спектральной плотности излучения МОП-структур приходится на λ = 1,3 мкм. Кремниевая подложка действует как фильтр, не пропуская коротковолновую составляющую, поэтому необходимо использовать детекторы чувствительные к длинам волн ≥ 1,3 мкм.

Фирмой NPtest (США) на основе описанных выше физических принципов был создан тестер микросхем, использующий сверхпроводниковый однофотонный детектор. С его помощью выполнялось тестирование микросхем методом PICA с высоким временным разрешением. Наблюдения проводились через подложку микросхемы. В поле зрения прибора попадала площадь диаметром 160 мкм, на которой могли располагаться десятки инвертеров, которые различались по времени срабатывания. Таким образом, можно было получать информацию о работе практически каждого транзистора микросхемы.

Использование сверхпроводящего однофотонного детектора в методе PICA позволяет параллельно собирать данные с отдельных транзисторов при достаточно большой площади интегральных микросхем, изготовленных по субмикронной технологии с высоким разрешением.

Астрофизика

С помощью HEB-смесителей, работающих в терагерцовом диапазоне, можно исследовать области Вселенной, в которых протекают процессы звёздообразования, и которые окружены облаками газов с температурой и концентрацией, выше чем «холодное» межзвёздное вещество. Ряд процессов, происходящих в межзвёздном пространстве, в Млечном Пути и других галактиках, имеют характерные линии испускания и поглощения, лежащие в области частот терагерцового диапазона — примерно 0,3-3 ТГц (λ = 0,1-1 мм). Такие соединения, как CO, CS, SO, SO2, HCO+, HCN, C, N+ и C+, наблюдаются именно в этой части спектра электромагнитного излучения.

Рождение звёзд происходит в результате гравитационного коллапса межзвёздных пылевых туманностей. В процессе коллапса основная часть энергии туманности переходит в электромагнитное излучение терагерцового диапазона. Регистрация этого излучения с помощью соответствующих приёмников (в том числе, на основе HEB) и анализ полученных данных позволяет получить информацию о плотности, температуре и других характеристиках этих туманностей. Это необходимо для дальнейшего изучения эволюции звёзд и планетных формирований.

Наблюдения, проведённые в терагерцовой области, могут способствовать лучшему пониманию явлений, протекающих в гигантских межзвёздных молекулярных облаках и областях формирования звёзд, а также дать информацию о различных процессах, протекающих в Млечном Пути и других галактиках.

HEB-смесители были установлены в терагерцовой обсерватории, расположенной в пустыне Атакама (Чили). Она принадлежит Смитсонианскому астрофизическому центру Гарвардского университета (США)[19]. В течение нескольких лет телескоп RLT (Receiver Lab Telescope) был единственным в мире работающим наземным терагерцовым телескопом с супергетеродинным приёмником на частотах 1,03, 1,26 и 1,46 ТГц. В сферу задач этой обсерватории входят исследования нейтронных звёзд, находящихся в центральной части газопылевых оболочек, образовавшихся при взрыве сверхновых звёзд. Для этого обсерватория оснащена радиотелескопом, сигнал с которого поступает на криогенный приёмник. Его чувствительным элементом является электронный болометр, созданный сотрудниками УНРЦ МПГУ.

Наземный телескоп APEX, расположенный в Северном Чили на высоте 5105 м над уровнем моря, использует HEB-смеситель, который работает в диапазоне частот 1250—1384 ГГц.

Наилучшая чувствительность НЕВ-смесителей достигается в отсутствии водяных паров в окружающей атмосфере, поэтому идеальное место для их использования — орбитальные устройства. Терагерцовый HEB-смеситель был установлен на европейском космическом телескопе Гершель. Он был запущен 14 мая 2009 г. с космодрома Куру с помощью ракеты-носителя «Ариан-5» и стал первой космической обсерваторией, полностью работающей в длинноволновой области инфракрасного излучения. Телескоп был предназначен для изучения инфракрасной части излучения от объектов в Солнечной системе, в Млечном Пути, а также от внегалактических объектов, находящихся в миллиардах световых лет от Земли (например, новорождённых галактик). Среди других его исследований — поиск экзопланет земного типа в далёком космосе, поиск тёмной материи и тёмной энергии. Российский вклад в проект — это терагерцовый приёмник, разработанный в УНРЦ МПГУ[20]. HEB-смесители (диапазон частот 1,5-1,9 ТГц) для этого телескопа была выполнена совместно МПГУ и Техническим университетом Чалмерса (Гётеборг, Швеция). Обсерватория «Гершель» завершила работу 17 июня 2013 г. в связи с тем, что на борту закончился запас жидкого гелия.

К наиболее важным проектам в отечественной космической сфере относится космическая обсерватория «Миллиметрон» (запуск планируется в 2029 г.). В этом проекте в качестве основных детекторов для инструментов с низким и средним спектральным разрешением планируется использовать болометрические приёмники. В составе обсерватории имеются 2 таких инструмента, первый рассчитан на диапазон частот 0,1-1,0 ТГц, второй — на 1-15 ТГц.

Геофизика

Вращательные переходы молекул некоторых газов (кислорода, озона, окиси хлора, соединений азота), находящихся в атмосфере и верхней тропосфере Земли, могут использоваться для мониторинга целостности и причин разрушения озонового слоя, глобального потепления и загрязнения атмосферы. Для их изучения больше всего подходит терагерцовое излучение. Геофизическое применение HEB-смесителей проводилось в рамках проекта TELIS (Terahertz Limb Sounder)[21]. TELIS был разработан консорциумом европейских институтов, включая DLR (Немецкий центр авиации и космонавтики) и SRON (Нидерландский институт космических исследований). TELIS — это гетеродинный спектрометр для дистанционного исследования атмосферы Земли с борта высотного аэростата в диапазоне частот 450—650 ГГц. TELIS имеет высокое спектральное разрешение (около 2,3 МГц при полосе 2 ГГц) и короткий интервал измерений (менее 3 с на каждый спектр). Он предназначен для:

  • мониторинга вертикального распределения параметров стратосферы, связанных с разрушением озонового слоя и изменением климата в арктических и субарктических областях;
  • исследования важных составляющих нижних слоёв земной стратосферы (OH, HO2, NO, HCl, ClO, BrO и др.);
  • апробации новых технологий изготовления приёмников терагерцового диапазона;
  • проверки оборудования для новых космических проектов;
  • уточнения спутниковых данных.

В этом проекте проводилась совместная работа УНРЦ МПГУ с DLR. TELIS участвовал в двух успешных кампаниях: в марте 2009 и январе 2010 гг. Обе кампании проводились на полигоне Esrange в Швеции, высота полёта составляла — 30-35 км. В ходе исследований были, в частности, измерены спектры различных газовых составляющих, в том числе ClO и BrO, ответственных за разрушение озонового слоя Земли.

Совместно с DLR сотрудники УНРЦ МПГУ вели исследования в рамках проекта SOFIA (в нём также участвовала NASA) — Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (Стратосферная обсерватория для ИК астрономии) с терагерцовым каналом 4,7 ТГц[22]. В рамках этого проекта был создан телескоп системы Кассегрена, который работал с борта самолёта Boeing 747SP. Обсерватория предназначалась для изучения различных астрономических объектов и явлений, включая рождение и гибель звёзд, формирование звёздных систем, отождествление сложных молекул в космическом пространстве. В 2015 г. с помощью инструментов обсерватории SOFIA было доказано, что сверхновые являются основными производителями космической пыли в галактиках. Проект SOFIA был завершён в сентябре 2022 г.

Развитие технологии сверхпроводниковых HEB-смесителей

Несмотря на преимущества HEB-смесителей по сравнению с другими приёмниками на частотах выше 1 ТГц, ведётся работа по оптимизации основных характеристик смесителей — шумовой температуры и полосы преобразования[23]. Полоса преобразования реализованных на практике HEB-приёмников не превышает 4 ГГц. Фундаментальным ограничением является время релаксации электронной температуры, которое составляет ~50 пс. Ещё одним направлением совершенствования HEB-смесителей является увеличение их рабочей частоты. Однако с увеличением частоты характерный размер антенны неизбежно уменьшается, следовательно, уменьшаются размеры контактов между антенной и чувствительным мостиком. Это приводит к увеличению контактных потерь и шумовой температуры смесителя. В связи с этим перспективной является разработка HEB-смесителя без интегрированной планарной металлической антенны, и, как следствие, без контактных потерь (HEB-смеситель с прямым поглощением).

HEB-смеситель на «горячих электронах» с прямым поглощением фиксируется на плоской поверхности вытянутой полусферической линзы таким образом, чтобы плоскость чувствительного мостика совпадала с фокальной плоскостью линзы. При этом падающее излучение гетеродинного и сигнального источников фокусируется линзой в «горячее пятно», диаметр которого в фокальной плоскости определяется дифракцией. Так, для частоты ν ∼ 28,4 ТГц (средняя часть инфракрасного диапазона) диаметр «пятна» составляет примерно 7 мкм. Первые исследования смесителей на «горячих электронах» с прямым поглощением на основе плёнки NbN с толщиной 5 нм показывают, что их шумовая температура на указанной частоте близка к 3100 К.

Примечания

  1. ↑ Смирнов К. В., Чулкова Г. М., Корнеев А. А., Гольцман Г. Н., Вахтомин Ю. Б., Окунев О. В., Дивочий А. В., Семенов А. В. Особенности разогрева и релаксации горячих электронов в тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктурах и 2d полупроводниковых гетероструктурах при поглощении инфракрасного и терагерцового диапазонов. — М.: МПГУ, 2014. — 239 с. — ISBN 978-5-4263-0145-0.
  2. ↑ Ильин В. А., Кудрявцев В. В. История радиофизики. Модульный курс для магистров : учебное пособие / Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет". — М.: МПГУ, 2017. — С. 288. — 320 с. — ISBN 978-5-4263-0482-6.
  3. ↑ Гершензон Е. М., Гершензон М. Е., Гольцман Г. Н., Семёнов А. Д., Сергеев А. В. Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей плёнке, находящейся в резистивном состоянии // Письма в ЖЭТФ : Журнал. — 1981. — Т. 34, № 5. — С. 281–285. — ISSN 0370-274X.
  4. ↑ Гершензон Е. М., Гершензон М. Е., Гольцман Г. Н., Семёнов А. Д., Сергеев А. В. Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую плёнку в резистивном состоянии // Письма в ЖЭТФ : Журнал. — 1982. — Т. 36, № 7. — С. 241–244. — ISSN 0370-274X.
  5. ↑ Гольцман Г. Н., Лудков Д. Н. Сверхпроводниковые смесители на горячих электронах терагерцового диапазона и их применение в радиоастрономии // Известия вузов. Радиофизика : Журнал. — 2003. — Т. XLVI, № 8–9. — С. 671–687. — ISSN 0021-3462.
  6. ↑ Кудрявцев В. В., Гольцман Г. Н., Ильин В. А. Радиофизика в истории МПГУ // История науки и техники : Журнал. — 2009. — № 9. — С. 10–23. — ISSN 1813-100X.
  7. ↑ Рябчун C. А., Финкель М. И., Третьяков И. В., Ларионов П. А., Масленникова А. В., Семенов А. В., Ожегов Р. В. Терагерцовые детекторы на эффекте электронного разогрева в ультратонких сверхпроводниковых пленках NbN1 // Преподаватель ХХI век. — 2012. — № 4.
  8. ↑ Г. Н. Гольцман, Д. Н. Лудков. Сверхпроводниковые смесители на горячих электронах терагерцового диапазона и их применение в радиоастрономии // Известия вузов. Радиофизика : Журнал. — 2003. — Т. XLVI, № 8—9. — С. 673. — ISSN 0021-3462.
  9. ↑ Кудрявцев В. В., Ильин В. А. Избранные вопросы истории радиофизики. Т. II. Современные достижения. — М.: ООО Издательство «Научтехлитиздат», 2014. — С. 29–30. — 112 с. — ISBN 978-5-93728-136-4.
  10. ↑ C. А. Рябчун, И. В. Третьяков, И. В. Пентин, М. И. Финкель, П. А. Ларионов, А. В. Масленникова. Вольт-ваттная чувствительность и шумовая температура детектора на эффекте электронного разогрева в ультратонких сверхпроводниковых пленках // Журнал радиоэлектроники : Журнал. — 2012. — № 9. — ISSN 1684-1719.
  11. ↑ А. В. Семёнов. Проскальзывание фазы, поглощение электромагнитного излучения и формирование отклика в детекторах на основе узких полосок сверхпроводников. Проблемная радиофизическая лаборатория (ПРФЛ) (2010).
  12. ↑ Терагерцовая фотоника. Коллективная монография. — М.: Российская Академия наук, 2023. — С. 633—711. — 712 с. — ISBN 978-5-907645-40-0.
  13. ↑ И. В. Пентин, К. В. Смирнов, Ю. Б. Вахтомин, А. В. Смирнов, Р. В. Ожегов, А. В. Дивочий, Г. Н. Гольцман. [https://old.mipt.ru/upload/df6/Pages_38-42_from_Trud-10-10-arphcxl1tgs.pdf Быстродействующий терагерцевый приемник и инфракрасный счетчик одиночных фотонов на эффекте разогрева электронов в сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктурах] // Труды МФТИ : Журнал. — 2011. — Т. 3, № 2. — С. 41. — ISSN 2072-6759.
  14. ↑ А. С. Шураков. Спектр выходного сигнала терагерцового приемника на основе гетеродинного и прямого HEB-детектора. Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской академии наук (2018).
  15. ↑ И. В. Пентин, А. В. Смирнов, С. А. Рябчун, Р. В. Ожегов, Г. Н. Гольцман, В. Л. Вакс, С. И. Приползин, Д. Г. Павельев, Ю. И. Кошуринов, А. С. Иванов. [https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/10653 Полупроводниковая сверхрешетка — твердотельный терагерцовый гетеродинный источник для электронно-разогревного NbN-смесителя] // Журнал технической физики : Журнал. — 2012. — Т. 82, № 7. — С. 75—78. — ISSN 0044-4642.
  16. ↑ Кудрявцев Василий Владимирович, Чулкова Галина Меркурьевна. Роль научных школ в организации отечественной радиофизики // Управление наукой: теория и практика. — 2020. — № 2.
  17. ↑ И. В. Пентин, К. В. Смирнов, Ю. Б. Вахтомин, А. В. Смирнов, Р. В. Ожегов, А. В. Дивочий, Г. Н. Гольцман. [https://old.mipt.ru/upload/df6/Pages_38-42_from_Trud-10-10-arphcxl1tgs.pdf Быстродействующий терагерцевый приемник и инфракрасный счетчик одиночных фотонов на эффекте разогрева электронов в сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктурах] // Труды МФТИ : Журнал. — 2011. — Т. 3, № 2. — С. 38—42. — ISSN 2072-6759.
  18. ↑ К. В. Смирнов. Особенности разогрева и релаксации горячих электронов в тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктурах и 2d полупроводниковых гетероструктурах при поглощении инфракрасного и терагерцового диапазонов. ИФТТ РАН (2013).
  19. ↑ Г. Н. Гольцман, Г. М. Чулкова. Научная радиофизическая школа Московского государственного педагогического университета // История науки и техники : Журнал. — 2016. — № 1. — С. 80—89. — ISSN 1813-100X.
  20. ↑ RadiantConfessor. Разработаны рекордные приемники терагерцового излучения. Сделано у нас (21 апреля 2012).
  21. ↑ О. С. Киселев, А. Б. Ермаков, В. П. Кошелец, Л. В. Филиппенко. Применение сверхпроводникового интегрального приемника в составе инструмента TELIS для спектроскопического исследования атмосферы // Радиотехника и электроника : Журнал. — 2016. — Т. 61, № 11. — С. 1132—1138. — ISSN 0033-8494.
  22. ↑ И. В. Третьяков, Н. С. Каурова, И. В. Ивашенцева, Б. М. Воронов, Г. Н. Гольцман. [https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/58346 Развитие технологии изготовления NbN HEB-смесителей с малым разбросом DC- и RF-параметров для создания матричных приемников терагерцового диапазона] // Журнал технической физики : Журнал. — 2024. — Т. 94, № 7. — С. 1102—1110. — ISSN 0044-4642.
  23. ↑ А. В. Смирнов, А. М. Барышев, П. де Бернардис, В. Ф. Вдовин, Г. Н. Гольцман, Н. С. Кардашёв, Л. С. Кузьмин, В. П. Кошелец, А. Н. Выставкин, Ю. В. Лобанов, С. А. Рябчун, М. И. Финкель, Д. Р. Хохлов. Текущий этап разработки приёмного комплекса космической обсерватории «Миллиметрон» // Известия вузов. Радиофизика : Журнал. — 2011. — Т. LIV, № 8—9. — С. 617—630. — ISSN 0021-3462.

Литература

Ссылки

Категории

© Правообладателем данного материала является АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».
Использование данного материала на других сайтах возможно только с согласия АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».