CC BY
20
УДК 537.312.62
ГЕНЕРАЦИЯ КОГЕРЕНТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛЕНКАМИ СаВа2Си307_х ПРИ АЗОТНЫХ
ТЕМПЕРАТУРАХ
А. Н. Лыков
Обнаружена генерация когерентного электромагнитного излучения сверхпроводящими пленками СеШа2Си.з07_х в диапазоне 1 — 10 МГц при температуре кипения жидкого азота. Генерация данного типа вызвана синхронизацией, осуществляемой за счет обратной связи, "прыжков" вихрей Абрикосова, создаваемых внешним низкочастотным магнитным полем. Это открывает новые возможности использования ВТСП в сверхпроводниковой электронике.
Одной из наиболее интересных проблем в современной сверхпроводимости является создание генератора электромагнитного излучения. Впервые такую возможность обнаружил Джозефсон в работе [1], но на пути использования Джозефсоновских контактов в качестве генераторов излучения стоят два серьезных препятствия: малая генерируемая мощность и малое выходное сопротивление, препятствующее их согласованию с внешней электромагнитной системой. Несмотря на некоторые успехи, достигнутые в последнее время при использовании решеток Джозефсоновских контактов [2], а также на таких контактах в режиме течения потока [3], эти проблемы до сих пор не преодолены. После открытия высокотемпературных сверхпроводников появилась принципиальная возможность создания сверхпроводниковых устройств, работающих при температурах жидкого азота, что дополнительно стимулирует интерес к этому направлению.
В работе [4] был предложен новый подход к созданию сверхпроводниковых генераторов электромагнитного излучения, основанный на синхронизации резонансным контуром "прыжков" вихрей Абрикосова, вызванных внешним низкочастотным магнитным полем. В этой работе обнаружена генерация сверхпроводящими пленками N6 когерент ного электромагнитного излучения в диапазоне 0.15 - 200 МГц. Эта генерация является
результатом воздействия на пленку двух электромагнитных полей, направленных перпендикулярно к поверхности пленки. Первое из них, создаваемое транспортным током, пропускаемым через катушку, сравнительно медленно меняется во времени и вызывает движение вихрей Абрикосова в пленке. Второе, высокочастотное, синхронизирует прыжки вихрей с неоднородности на неоднородность. При этом в качестве высокочастотного поля используется за счет цепи обратной связи само генерируемое пленками излучение. В данной работе сообщается о наблюдении генерации, основанной на этом явлении, электромагнитного излучения ВТСП пленками при азотных температурах.
Измерения были выполнены на пленках С(1Ва2Сиз07-х, приготовленных В. И. Де-дю методом импульсного катодного напыления [5]. Этот метод напыления напоминает лазерное напыление пленок. Пленки Св>Ва2СизОт-х выбраны среди других купратных пленок ВТСП типа 1-2-3 из-за того, что в них наблюдалась лучшая однородность по кислороду и более высокая стабильность и воспроизводимость. В качестве подложек использовались полированные монокристаллические пластины Л^СаОз с кристаллической ориентацией (110). Критическая температура пленок была в диапазоне 91 92.6 К при ширине перехода ~ 0.5 А'.
Схема измерений показана на рис. 1. Пленка помещалась в переменное магнитное поле, которое изменялось по закону Н± — Н±0 5т(27г/ехс£), где ^ обозначает время. При этом амплитуда о) изменения поля достигала 1 кОе, а частота /ехс находилась в пределах 17 Гц — 1 кГц. Это поле создает вихри Абрикосова в пленке, причем взаимодействие вихрей с неоднородностями в ней препятствует переходу вихревой системы в равновесное состояние. Отклонение вихревой системы от положения равновесия проявляется в гистерезисе кривой намагничивания. Вероятность Р, с которой вихри могут покинуть центр пиннинга и перескочить на соседний центр или выйти из пленки, пропорциональна соотношению
Р ~ С1ехр{-и/квТ),
где Т - температура, кв - постоянная Больцмана, и - глубина потенциальной ямы цен тра пиннинга и Г? - характерная частота попыток, с которой вихри пытаются сорваться с этого центра.
Вблизи пленки размещается индуктивность резонансного контура, что обеспечивает электромагнитную связь между пленкой и контуром (рис. 1). Энергия взаимодействия вихрей Абрикосова с центрами пиннинга зависит от многих параметров, в частности от
внешнего магнитного поля. Поэтому электромагнитные колебания, возникающие случайным образом в контуре, периодически помогают некоторым вихрям преодолеть по тенциальные барьеры и перепрыгнуть на соседние центры пиннинга. При этом генерируется электромагнитный импульс, который в свою очередь увеличивает энергию электромагнитных колебаний в контуре. Если потери в контуре меньше, чем вносимая таким образом в контур энергия, то амплитуда колебаний в нем нарастает. Таким образом, реализуется обратная связь и осуществляется синхронизация "прыжков вихрей в пленке. Спектр излучения измерялся с помощью селективного микровольтме I ра В6-1, имеющего рабочий диапазон 0.15 - 35 МГц при полосе 10 кГц. При этом сигнал на микровольтметр подавался по коаксиальной линии непосредственно с резонансного контура.
Сверхпроводящая пленка
U
1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 f, MHz
Рис. 1. Схема измерений, SMV - селективный микровольтметр.
Рис. 2. Пример зависимости амплитуды сигнала, генерируемого пленкой GdBa2Cu307-x, от частоты, Н±0 = 82 Э и fexc = 915 Гц. Измерения выполнены в жидком азоте (Т — 77.4 К).
Обнаружена генерация когерентного электромагнитного излучения сверхпроводя щими пленками GdBa2CuzOy-x в диапазоне 1 - 10 МГц при температуре кипения жидкого азота. Пример спектра генерации показан на рис. 2. Как и в работе [4], частота генерации определяется параметрами резонансного контура с помощью обычного соотношения / = 1/2я"(LC)0 5, то есть, меняя индуктивность и емкость контура, можно менять частоту генерируемого электромагнитного излучения. Без резонансного контура движение вихрей в пленке носит случайный характер, и, как результат, только
слабое шумовое излучение может быть зарегистрировано в этом случае. С увеличением частоты / мощность генерируемого излучения уменьшается. Максимальная частота генерации пленками СйВа^Си^От-х существенно меньше, чем максимальная частота, регистрируемая в аналогичных экспериментах с использованием пленок N6 [4]. Это может быть объяснено тем, что частота попыток Л, с которой вихри пытаются сорваться с центров пиннинга в пленках ВТСП, меньше, а роль вязкого течения вихрей потока больше, чем в ниобиевых пленках. То есть, в ВТСП характерные частоты вихревого движения существенно меньше, чем в ниобиевых пленках. Кроме того, мощность и максимальная частота излучения уменьшаются с увеличением температуры, и вблизи критической температуры пленки эта генерация исчезает. Также было обнаружено, что мощность излучения увеличивается с увеличением частоты /ехс и амплитуды возбуждающего магнитного поля Н±о- Это вызвано тем, что источником энергии излучения в данном случае является гистерезис кривой намагничивания, который, в свою очередь, вызван пиннингом вихрей Абрикосова. Как следствие, эта энергия пропорциональна количеству вихрей Абрикосова, участвующих в процессе, и количеству перецикливаний намагничивания в единицу времени. С увеличением температуры уменьшаются силы пиннинга, которые препятствуют вихрям занимать в пленке положения с минимальной энергией, что приводит к уменьшению гистерезиса кривой намагничивания.
Таким образом, данная работа доказывает, что пленки из высокотемпературных сверхпроводников могут генерировать высокочастотное электромагнитное излучение. Принцип работы сверхпроводниковых генераторов данного типа основан на синхро низации резонансным контуром "прыжков" вихрей Абрикосова, создаваемых внешним низкочастотным магнитным полем. В этом плане поведение ВТСП пленок близко к поведению пленок ниобия [4]. Важным результатом работы является то, что генерация когерентного электромагнитного излучения сверхпроводниковыми структурами впервые наблюдалась не только при гелиевых температурах, но и при температуре кипения жидкого азота. Это открывает новые возможности использования ВТСП в сверхпроводниковой электронике. Важным достоинством данного метода генерации является возможность получения больших мощностей изучения, которая достигает за счет увеличения площади части сверхпроводящей пленки, участвующей в процессе, а также путем увеличения амплитуды Н±о и частоты /ехс электромагнитного поля, возбуждающего вихревую систему в пленках.
Эта работа была выполнена при финансовой поддержке Научно-технического совета по физике конденсированных сред (проект N 30396), РФФИ (проект N 00-02-16076) и
Российско-Украинского проекта "Эталон".
Автор выражает благодарность В. И. Дедю за предоставленные пленки GdBa2Cu20-j Т.
ЛИТЕРАТУРА
[1] J о s е р h s о п В. D. Phys. Lett., 1, 251 (1962).
[2] J a i n А. К. et al., Phys. Rep., 109, 309 (1984).
[3] К о s h e 1 e t s V. P. et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 7, 2905 (1997).
[4] L у k о v A. N. Phys. Lett., A, 281, 48 (2001).
[5] К а н ц e p В. Г. и др., Известия АН РМ, вып. Физика и Техника, N 2, б (1992).
Поступила в редакцию 20 марта 2001 г.
