Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Генератор на основе распределённого туннельного СИС-перехода (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник) обладает сверхширокой рабочей полосой – до 100% от центральной частоты, и представляется перспективным типом направленного источника непрерывного электромагнитного излучения в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот. За первый год работы по проекту предложена схема ТГц генератора, в которой генератор интегрирован на одной микросхеме с передающей линзовой антенной на основе щелевой структуры в плёнке Nb толщиной 200 nm и излучает сигнал в открытое пространство. Предложены и численно рассчитаны несколько конструкций планарной щелевой антенны, согласованной (по входу) с джозефсоновским генератором и (по выходу) с кремниевой эллиптической линзой. Представлены результаты расчётов согласования выходной мощности генератора с антенной различных конструкций, рассчитанных на три центральные частоты - 350 ГГц (конструкция "Low"), 450 ГГц (конструкция "Middle" и альтернативная конструкция "Middle-2" с другой идеологией "запитки" антенны) и 600 ГГц (конструкция "High"). Численный расчёт согласования по мощности, суммарно излучаемой антенной в открытое пространство, от полной выходной мощности генератора, показал следующий результат: рабочий диапазон антенн по уровню 0,7 от полной выходной мощности генератора составил 250 – 410 ГГц (Low), 330 – 570 ГГц (Middle), 380 – 520 ГГц (Middle-2) и 420 – 700 ГГц (High), диапазоны суммарно перекрывают область 250 – 700 ГГц. Рассчитаны диаграммы направленности и импеданс антенн. Модуль импеданса всех конструкций в рабочем частотном диапазоны имеет достаточно гладкую зависимость и находится в интервале от 30 Ω до 40 Ω для антенны Middle, от 26 Ω до 40 Ω для антенны High. Диаграммы направленности различных конструкций щелевой антенны имеют чётко выраженный главный (центральный) "лепесток" и слабые боковые "лепестки". Коэффициенты ослабления диаграммы в перпендикулярном направлении (90 градусов) и противоположном направлении (180 градусов) относительно центрального направления (указано через знак /): Low - (-38дБ/-7дБ); Middle - (-25дБ/-6дБ); High - (-26дБ/-8дБ); Middle-2 - (-36дБ/-10дБ). Разработаны и численно промоделированы расширенные конструкции, включающие в себя, помимо генератора и антенны, гармонический СИС-смеситель для включения в петлю обратной связи с целью стабилизации частоты и синхронизации излучаемой мощности - "Middle-HM" и "High-HM". Диапазоны накачки гармонического смесителя по уровню 0,1 от полной мощности генератора по результатам численного расчёта составили: 380 - 530 ГГц (Middle-HM) и 480 - 670 ГГц (High-HM). На основе разработки конструкции и численного расчёта изготовлены две серии экспериментальных образцов генератора с антенной - 42 интегральные микросхемы на основе высококачественных трёхслойных структур Nb/AlN/NbN. Плотность туннельного тока экспериментальных образцов генератора составила около 10,5 кА/см2; параметр качества трёхслойной структуры Rj/Rn (отношение сопротивления "подщелевого" участка ВАХ к нормальному сопротивлению СИС-перехода) - около 30. "Щелевое" напряжение переходов на основе Nb/AlN/NbN составило 3,4-3,55 мВ, что говорит о высоком качестве туннельных структур. Характерные рабочие токи образцов генераторов составляет от 20 до 60 мА, диапазон рабочих напряжений образцов генераторов согласно измеренным ВАХ составляет от 0,5 до 1,5 мВ, что соответствует джозефсоновской генерации на переходе в диапазоне частот от 250 до 720 ГГц согласно фундаментальному соотношению Джозефсона. Диапазоны накачки гармонического смесителя мощностью генератора по уровню 0,1 от "щелевого" скачка туннельного тока СИС-перехода составили: 350 - 650 ГГц для конструкции "Middle-HM" и 510 - 650 ГГц для конструкции "High-HM". Результаты первого года по проекту открывают возможность продолжения исследования разработанных и изготовленных ТГц генераторов в заливном криостате при температуре Т = 4,2К для измерений выходного излучения на ТГц частотах.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проведён эксперимент по регистрации ТГц излучения образцов генератора на основе джозефсоновского туннельного перехода, интегрированного с антенной, установленной на кремниевую полу-эллиптическую линзу, при помощи охлаждаемого до 4,2К Si болометра. Для полноценного исследования рабочего диапазона выходного излучения была использована альтернативная конструкция антенны "Middle-2", более узкополосная чем "Middle" согласно расчёту из предыдущего этапа выполнения проекта, однако линия задания тока управления магнитным полем которой спроектирована таким образом, что на ВАХ образца генератора имеются рабочие точки, соответствующие любой частоте рабочего диапазона 380-510 ГГц и за его пределами (более ±100 ГГц от границ диапазона). Получен диапазон выходного излучения 390-580 ГГц по уровню 0,2 от максимальной мощности, что хорошо соответствует результатам численного моделирования. Проведена оценка спектральных характеристик выходного излучения генератора на основе дифференциального сопротивления перехода в рабочей точке по постоянному току, а также некоторого квази-сопротивления, определяемого как дифференциальное сопротивление перехода в рабочей точке по току линии управления магнитным полем. Ширина спектральной линии излучения генератора в диапазоне 390-580 ГГц (режим ступеней Фиске) согласно численному расчёту из дифференциальных сопротивлений по току смещения и току контрольной линии составляет порядка 5-10 МГц, что на два порядка лучше спектрального разрешения Фурье-спектрометра на основе оптического интерферометра Майкельсона (несколько ГГц). Проведена оценка мощности генератора. Мощность, поглощенная СИС-смесителем сверхпроводникового приёмника согласно оценке по результатам эксперимента (по величине тока накачки), составила 0,03 мкВт; с учётом потерь преобразования в СИС-переходе падающая мощность согласно численной оценке составляет около 0,1 мкВт; с учётом оптических потерь (поглощение на окнах и неидеальное согласование диаграммы направленности источника и приёмника) излучённая мощность согласно численной оценке составляет порядка 0,2-0,5 мкВт. Поставлен эксперимент по регистрации спектров выходного излучения в открытое пространство при помощи ТГц спектрометра на основе сверхпроводникового интегрального приёмника (СИП), разработанного за последние годы в коллективе исполнителей проекта. Исследуемый генератор располагался в одном заливном криостате; СИП располагался в другом криостате; криостаты расположены выходным и входным квазиоптическими окнами друг напротив друга. Данное исследование спектральных линий излучения проведено для двух конструкций генератора с гармоническим смесителем: "Middle-HM" (диапазон 330-570 ГГц согласно численным расчётам) и "High-HM" (диапазон 420-700 ГГц согласно численным расчётам). Полученный рабочий диапазон оказался шире расчётного: 320-650 ГГц для конструкции "Middle-HM" и 400-730 ГГц для конструкции "High-HM". Мощность, поглощенная гармоническим смесителем согласно оценке по результатам эксперимента (по величине тока накачки) составляет 0,29 мкВт; излучаемая мощность в открытое пространство согласно численной оценке из известного соотношения между поглощаемой в смесителе и излучаемой мощности составляет порядка 0,8 мкВт. Ширина спектральной линии излучения в рабочем диапазоне 400-700 ГГц составляет от 2 до 20 МГц в зависимости от рабочей точки и режима работы генератора. Достигнута частотная и фазовая стабилизация излучения генераторов конструкций "Middle-HM "и "High-HM " при помощи системы фазовой автоподстройки частоты и гармонического СИС-смесителя, интегрированного на микросхеме с генератором. Стабилизация достигнута во всём частотном диапазоне накачки гармонического смесителя сигналом генератора для обеих конструкций: от 387 до 650 ГГц для конструкции "Middle-HM", от 518 до 730 ГГц для конструкции "High-HM". При помощи фазовой стабилизации достигнута синхронизация до 95% излучаемой мощности в узком спектральном пике шириной порядка 40 кГц, что является фактически δ-функцией для большинства практических применений (в спектроскопии и гетеродинном детектировании). Оптимизирована конструкция (топология) линии управления магнитным полем через генератор, вследствие чего решена проблема отсутствия рабочих точек в некотором частотном диапазоне (380-480 ГГц). Оптимизация проведена путём создания дополнительного выреза в слое металлизации щелевой антенны, который (слой) является нижним электродом СИС-перехода, через него же пропускается ток управления магнитным полем. Опубликованы несколько статей, наиболее значимой из которых является публикация в Journal of Applied Physics. Статья была выбрана редакцией журнала в состав Editor's Peak - наиболее значимые и интересные, по мнению издательства, статьи отображаются на домашней странице журнала.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе реализации 3-го этапа по проекту № 17-79-20343 "Терагерцовый генератор с широким диапазоном перестройки частоты на основе джозефсоновских туннельных структур" были численно промоделированы, разработаны и исследованы две новые интегральные конструкции микросхемы, включающие в себя генератор, передающую щелевую антенну и гармонический смеситель для фазовой стабилизации выходного излучения. При разработке новых конструкций некоторым условным критерием, заведомо известным из ряда других работ, в частности из опыта разработки сверхпроводникового интегрального приёмника, является ответвление 10-20% от выходной мощности генератора на гармонический смеситель. Такой мощности достаточно для корректной работы смесителя и системы фазовой автоподстройки частоты, при этом такое значение «оставляет» основную часть мощности (80-90%) для вывода излучения в открытое пространство. Вновь разработанные конструкции имеют условные названия "Low_HM" и "Middle2_HM", соответственно. Экспериментальные образцы изготовлены на основе сверхпроводниковых туннельных структур Nb/AlOx/Nb в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН с использованием имеющейся технологии. Фотошаблоны микронных размеров также изготавливались в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН при помощи электронно-лучевого литографа. Проведены эксперименты по регистрации излучения разработанных и изготовленных образцов источника при помощи широкополосного полупроводникового болометра на основе кремния. Болометр производства IRLabs, inc. (США) является коммерчески доступным прибором и установлен в заливной криостат с рабочей температурой 4,2К. Для регистрации отклика болометра традиционно использован синхронный усилитель (lock-in) с модуляцией сигнала частотой 170 Гц при помощи оптического прерывателя. Постоянная времени интегрирования усилителя выбрана 300мс для оптимального соотношения флуктуаций сигнала и длительности проведения эксперимента. По результатам проведенных исследований рабочий диапазон для конструкции "Low_HM" составил 300-440 ГГц (при результатах численного моделирования 240-420 ГГц по уровню излучения в открытое пространство 0,7 от полной выходной мощности генератора), для конструкции "Middle2_HM" - 410-570 ГГц (при результатах численного моделирования 390-520 ГГц). Ширина диапазона накачки гармонического смесителя от ширины рабочего диапазона излучения в открытое пространство для обеих конструкций составил более 50%. Исследование спектральных линий излучения проведено при помощи гармонического смесителя в цепи обратной связи с генератором. Характерная ширина спектральной линии излучения зависит от частного диапазона и составила до 3 МГц частотах 250-325 ГГц для конструкции "Low_HM"; порядка 15-20 МГц на частотах 450-550 ГГц и менее 5 МГц на частотах 650-700 ГГц для конструкции "Middle2_HM". Оценка мощности излучения в открытое пространство проводилась на основе расчёта мощности, поглощенной гармоническим СИС-смесителем, и известного соотношения между мощностью, поступившей от генератора на смеситель, и мощностью, излучённой в открытое пространство. Расчет мощности, поглощенной СИС-смесителем, производился при помощи соотношений Тьена и Гордона [J.R. Tucker, M.J. Feldman // Rev. Mod. Phys. 57(4), 1985] на основе анализа тока накачки, индуцированного туннелированием квазичастиц через барьер в туннельном переходе под воздействием внешнего излучения. Для этого были написаны программы численного моделирования в среде MathCad, которые вычисляют форму вольт-амперной характеристики (ВАХ) перехода под воздействием излучения определенной мощности и частоты и сравнивают с экспериментальной формой ВАХ. На основе вычисленного безразмерного параметра воздействия, а также известного импеданса перехода на высокой частоте, оценивается мощность излучения, поглощенная гармоническим смесителем. Вычисленная мощность составила 1,78 мкВт на частоте 340 ГГц для конструкции "Low_HM", 1,29 мкВт на частоте 447 ГГц для конструкции "Middle2_HM". Разработана тестовая схема конструкции "SuperHigh_HM" на основе микрополосковых линий NbTiN/Al, включающая генератор и гармонический смеситель, с целью доведения мощности до гармонического смесителя на частотах выше 750 ГГц. Частотный диапазон согласования по мощности для смесителя площадью 1,1мкм2 составил 700-1080 ГГц. Поставлены лабораторные демонстрационные эксперименты по регистрации спектральных линий поглощения воды и аммиака, напущенных в газовую ячейку, при помощи разработанного в данном проекте генератора в качестве активного ТГц источника и высокочувствительного сверхпроводникового интегрального приемника в качестве спектрометра высокого разрешения. Исследование производилось в окрестности частот линий поглощения воды 556,9 ГГц и аммиака 572,5 ГГц. Рабочая частота гетеродина приёмника устанавливается на 6 ГГц выше или ниже исследуемой линии поглощения, в то время как частота внешнего генератора плавно перестраивается вблизи частоты линии поглощения. Насколько известно авторам проекта, проведённый эксперимент является первой в мире демонстрацией применения ТГц генератора на основе распределенного джозефсоновского перехода в качестве активного источника для лабораторной спектроскопии. За третий год выполнения проекта опубликованы 4 работы, индексируемых в WoS/Scopus, и ещё 2 приняты в печать. По результатам проведенных исследований опубликовано несколько научно-популярных заметок в СМИ: Газета.ру: https://www.gazeta.ru/science/news/2019/10/08/n_13555921.shtml На сайте РАН: http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=73b38aa0-9a5c-48b3-9446-bea600087c54 На сайте РНФ: http://rscf.ru/ru/node/istochnik-teragertsevogo-izlucheniya А также: https://www.poisknews.ru/news/sozdan-novyj-istochnik-teragerczevogo-izlucheniya/ https://indicator.ru/physics/istochnik-teragercevogo-izlucheniya-08-10-2019.htm Кроме того, статья "Flux-flow Josephson oscillator as the broadband tunable terahertz source to open space." по результатам проекта в журнале Journal of Applied Physics была выбрана редакцией журнала в состав Editor's Peak - наиболее значимые и интересные, по мнению издательства, статьи отображаются на домашней странице журнала. На момент подачи данного отчёта статья находится на следующей странице редакторского Пика: https://aip.scitation.org/topic/collections/editors-pick?SeriesKey=jap&sortBy=Ppub&pageSize=50&startPage=3