张军琴[1]2003年在《高温超导约瑟夫森结物理特性的研究及其数值计算》文中研究指明超导体最直接的应用是无电阻传输大电流，最神奇的部分则是以约瑟夫森效应为基础的超导电子学技术。而约瑟夫森结是超导电子学的关键元件，是超导量子干涉仪(SQUID)和其它超导器件的基础，所以研究约瑟夫森结的性质对超导的发展及其应用有相当重要的意义。本文主要对单个高温超导约瑟夫森结RSJ模型、RCSJ模型、微波辐照下RSJ模型以及RSJ模型下两个约瑟夫森结串联、并联连接阵列的解析式分别进行了数值计算。 第一章扼要描述了超导的历史与进展。由于约瑟夫森效应的发现开创了超导在弱电领域的应用，为此在第二章中简要介绍了约瑟夫森效应。第叁章则给出了超导约瑟夫森结的制作过程，并对所制得的几类典型约瑟夫森结进行了实验研究与理论分析，分别得出了它们的直流I-V特性曲线。 第四章对单个高温超导约瑟夫森结的RSJ模型、RCSJ模型以及微波辐照下RSJ模型的解析式进行了数值计算，分别得出了各自的直流I-V特性曲线，通过比较发现这些曲线与实验结果符合的很好。 第五章主要对RSJ模型下两个约瑟夫森结串联、并联连接阵列的解析式分别进行了数值计算。由计算结果可看出，串联阵列的直流I-V特性曲线上出现了多个转变点，临界电流也有所降低，而并联阵列的直流I-V特性曲线和单个约瑟夫森结的直流I-V曲线类似。此串联、并联阵列的数值计算结果与我们实验所观测到的结果也是一致的。
林涛[2]2002年在《高温超导约瑟夫森结物理特性的研究》文中认为超导约瑟夫森效应的发现与研究为超导电子学的发展奠定了坚实的基础，也使得整个超导学科面临着更多的机遇与挑战。本文前半部分简要回顾了超导学科的历史与发展，介绍了约瑟夫森现象并对当前超导电子学的发展做了简洁的说明。 本文后叁章主要围绕约瑟夫森结的研究进行了以下工作： (1) 在YBa_2Cu_3O_(7-X)，GdBa_2Cu_3O_(7-X)，等高温超导薄膜上用标准光刻法分别制作了普通的5×5μm~2微桥、5×5μm~2双晶微桥结、10×10μm~2的2×4阵列微桥。在液氮温区下，利用SBR-1型示波器对上述的叁类微桥分别进行了I—V特性测试，并采用RSJ、RCSJ模型对实验结果进行了理论分析。 (2) 因约瑟夫森结的RCSJ模型得出的方程为一非线性二阶微分方程，直接给出解析解比较困难，采用龙格库塔法对它进行数值计算，I—V特性曲线的数值计算结果和实验曲线相符，利用两结果的相互比较可得出实验制得的约瑟夫森结的McCumber参数。 (3) 研究了电磁波辐照下微桥结I—V特性的变化，并对微波辐照和激光辐照的实验结果进行了定性的分析。
岳宏卫[3]2010年在《高温超导约瑟夫森结及阵列毫米波特性研究》文中研究指明近年来,超导电子学的研究和应用得到了飞速的发展。以约瑟夫森效应和磁通量子化效应为基础发展起来的一系列超导电子学器件如超导SQUID、混频器、微波和远红外波段的检测器、高频信号发生器、参量放大器、电压基准和超导数字电路等具有噪声低、功耗小、灵敏度高、响应速度快和频率覆盖宽等一系列优异的性能,在军事、航空航天、医学等领域中具有十分重要的应用。本论文通过仿真和实验测量的方法对高温超导约瑟夫森结的高频特性及其应用进行了较为系统的研究,具体的研究内容及其成果归纳如下：1、利用CST叁维电磁仿真软件设计并制作了一套8mm波段半共焦Fabry-Perot谐振腔,并用它建立起一套高温超导约瑟夫森结特性测量系统。此系统具有以下几个重要的特点：第一、通过螺旋测微器可以精细调节谐振腔两镜面之间的距离,可使谐振腔工作在TEMooq基模状态下,此时腔内电磁场呈高斯驻波分布,在近轴区域近似于空间平面波。这样的场分布非常适合于用来观测约瑟夫森结的微波辐照特性。第二,可以精细调节样品在谐振腔中的位置,使样品处在腔内电场较强的地方。第叁,可以方便地改变腔内电场的方向。通过精细调节这些结构参数,可使约瑟夫森结与外加电磁场处于最佳耦合状态,观测到高质量的Shapiro台阶。这在电压基准以及THz波信号发生和检测方面有重要的意义。2、通过实验研究了Tl-2212高温超导薄膜双晶约瑟夫森结的特性。虽然国际上已经对高温超导约瑟夫森结的特性进行了充分的研究,并报导了很多的研究成果,但他们主要针对用YBCO高温超导薄膜制备的约瑟夫森结的特性进行研究,而用Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜制备的约瑟夫森结的特性研究不多,特别是用SrTiO3基片作衬底的情况。由于铊膜比钇膜具有更高的临界转变温度,更耐潮,因此更适合于用来制作微波应用的器件,对用铊膜制成的双晶约瑟夫森结的特性进行研究,有重大的意义。特别地,本论文所用的约瑟夫森结是由生长在双晶SrTiO3衬底上的Tl-2212高温超导薄膜制备的。一般来说,SrTiO3衬底的介电常数较大,损耗角的正切也较大,不利于器件的高频应用,但本研究结果表明,用SrTiO3衬底制备的双晶约瑟夫森结在毫米波辐照下,也能观测到陡直的、幅度较高的Shapiro台阶。3、通过实验研究了YBCO高温超导双晶约瑟夫森结阵列的毫米波辐射特性。研究发现,由于单个约瑟夫森结的阻抗太小,很难实现与外部微波电路的阻抗匹配,因此辐射功率很小,没有实用价值。为了有效提高约瑟夫森结的辐射功率,我们采用多个双晶约瑟夫森结串联,集成半波偶极天线阵,介质谐振器(介质基片)和Fabry-Perot谐振器共同作用的方法。研究结果表明此方法可有效地提高双晶约瑟夫森结的辐射功率。这对用约瑟夫森结制作高频信号发生器有重要的意义。4、利用倾斜生长的T1-2212高温超导薄膜制备出本征约瑟夫森结阵列,分别测量到多分支和单分支结构的I-V特性曲线。特性曲线具有很强的回滞,证明T1-2212薄膜本征结阵列是属于SIS类型。多分支结构的出现是由于结尺寸的不一致性造成的,改进刻蚀工艺后,得到单分支结构的I-V特性曲线。把本征结嵌入到Fabry-Perot谐振腔中,对其毫米波辐照特性进行研究。尽管初步观测没有发现Shapiro台阶,但是在实验中本征结阵列对外加电磁场的响应较强烈,只要用0mW的辐照功率,就能把临界电流压制到零。这说明利用Fabry-Perot谐振腔技术,能有效改善本征结与外加电磁场的耦合关系,对用本征结制作高频信号源有重要的意义。
黄娅[4]2018年在《超导约瑟夫森太赫兹检测器的研究》文中认为在太赫兹技术中,太赫兹辐射源与太赫兹检测器是必备的关键器件。其中,太赫兹辐射源是基石,如何进行表征和调控是关键。因此,我们在对太赫兹辐射源进行研究的过程中,也致力于太赫兹检测器的研究。在实际应用中,如何将太赫兹信号有效地耦合到本征约瑟夫森结上是一个重要的课题。随着工作频率的提高,约瑟夫森结内的容抗变小,回路中大部分电流被结电容旁路,耦合效率大大降低。因此,需要设计对应频率的调谐单元以调谐其容抗,旨在提高超导约瑟夫森太赫兹检测器的耦合效率与灵敏度。在研究超导太赫兹检测器的过程中,还发现超导约瑟夫森结阵列中的自混频现象。由于高温超导BSCCO本征约瑟夫森结物理结构上的多层特性,其内部含有多达上千数量的独立单元,这为自混频信号提供了丰富的信息,从而可以采用自混频检测技术反映超导约瑟夫森结的辐射特性。除此之外,探索新型超导材料约瑟夫森结是一项长期且颇具意义的工作。本文旨在研究赫兹检测器性能提升的方法,超导约瑟夫森结阵列中的自混频检测技术,探索新型超导材料约瑟夫森结。主要内容如下:第一,针对约瑟夫森结内电容造成的信号传输效率变差的问题,我们参考Nb基SIS检测器,在工作频率为400～500GHz的范围内,设计并验证阻抗匹配与电容调谐的方法,为其它超导约瑟夫森结检测器的性能提升奠定基础。第二,探索高温超导BSCCO检测器的性能提升的方法。通过设计匹配网络与调谐结构,提升信号的耦合效率与检测的灵敏度。除此之外,我们设计了辐射源与检测器集成的高温超导太赫兹接收机,并为其实现提供了可能性论证。第叁,研究超导约瑟夫森阵列中的自混频检测技术。我们测试了不同结构的样品,比较在辐射的“高偏”与“低偏”区域,以及不同环境温度下的自混频输出。结果显示,在较低的环境温度情况下,在“低偏”区域,太赫兹辐射(尽管只有一个峰值),伴随中频噪声谱有时呈现多个峰值,这表明约瑟夫森结谐振于不同的频率。与此相反,在“高偏”区域,中频谱接近于背景水平。实验现象说明,由于“热点”(hotspot)的出现,结阵中参与辐射的本征约瑟夫森结具有更好的锁相关系。该研究不仅提供了一种更加简便且有效的检测手段,而且为高温超导BSCCO辐射源的辐射机制做出了进一步的补充。最后,为了进一步寻找新型约瑟夫森结,我们以铁基超导体Bao.6Ko.4Fe2As2为对象,研究晶界在其微桥结构样品传输特性中的作用。研究发现,该微桥的电流-电压特性曲线能反映出超导体/正常金属/超导体型约瑟夫森隧穿电流特性。此外,在10GHz的微波辐照下,我们观察到曲线上的Shapiro台阶。通过比较测量与数值计算的温度与临界电流Ic的关系,分析了其配对机制。这些发现对具有新型约瑟夫森结的材料特性做出了进一步的补充。
池婷婷[5]2009年在《电阻电容分路的约瑟夫森结中的混沌研究》文中研究指明约瑟夫森结是一种典型的弱连接超导体,具有高度非线性,如非线性的,I-V关系、混沌等特性。约瑟夫森结具有广泛应用价值,可用于军事、医学、通讯、计算机等许多领域。并且开拓了一个新的超导应用领域—超导量子电子学。本文首先概述了混沌的基本知识、混沌控制的理论方法、约瑟夫森结的基本知识及应用。然后数值研究了电阻电容分路的约瑟夫森结的混沌特性,给出分岔图、吸引子及李指数,分析了进入混沌的方式,找到了系统处于不同动力学状态的参数区间;然后对混沌状态进行控制,使其进入稳定的周期状态,并对控制结果作了分析。
田野[6]2006年在《超导约瑟夫森结和SQUID中的宏观量子效应》文中认为本论文主要研究了超导约瑟夫森结和超导量子干涉器件(SQUID)中的宏观量子效应。论文首先回顾了超导体及其理论发展的历史，介绍了约瑟夫森结和高温超导量子干涉仪的相关性质。 然后，我们引入了π结和π环的概念。并给出了多结π环的自由能表达式，从而得到了多结π环中自发磁化的普遍描述，讨论了在基态中π环的自发磁化磁通与屏蔽参数β的关系。 在此基础上，我们分析了无限大一维π环阵列的模型在没有外磁场时的情况。结果表明，在这种π环阵列中，完全反平行的磁化磁通结构对应着基态。 接下来，论文进一步解析地研究了二维超导π环阵列的自发磁化。结果表明，虽然方形和三角形环阵有许多可能的自发磁化磁通排列，但完全反平行磁通结构的自由能是最低的，也是最可能产生的。在六边形阵列(三角磁通阵)中，尽管原则上相邻环的自发磁化磁通为反平行时自由能较低，但阵列中无法形成完全反平行的磁通结构。为此我们通过对无限大二维六边形π环阵列的分析，计算了单个环的自由能U_n，并发现环的状态可以由环中零电流(“安静的”)结的数目n来分类。可以解析地证明，自由能存在阶梯关系U_0＜U_1＜U_2＜U3＜U_4＜U_5≤U_6，这表明一个态中“安静的”结数越少，这个态的自由能就越低。 此外，通过求解一维连续超导角结阵列的位相方程，分析了角结阵列在自发磁化状态下的电流密度和局域磁场。这些解可以用椭圆函数表达。我们对之进行了数值计算，并给出了阵列中每个角结的磁化磁通与界面长度的函数关系。 上面这些关于大规模一维角结、一维π环阵列及二维π环阵列的结果都与H．Hilgenkamp等人[Nature，422，50(2003)]最近的实验观察一致。 最后，论文计算了包含一个约瑟夫森结的超导π环和包含两个结的超导环的量子能级和波函数。并用基态波函数的形式表示了rf-SQUID中量子自发磁化磁通的几率分布。还给出了量子能级的反交叉结构和磁化磁通与屏蔽参数β的函数关系。并且比较了rf-和dc-SQUID的量子磁化特性。
高斌[7]2003年在《超导约瑟夫森结阵列振荡器研究》文中研究表明本文系统的研究了超导约瑟夫森结阵列振荡器。首先介绍了超导约瑟夫森结阵列振荡器系统的选题背景、论文的创新之处以及研究方案。然后，阐述了约瑟夫森效应、约瑟夫森结阵列振荡器的基本原理、基本结构和关键技术, 根据原理引出超导约瑟夫森结阵列振荡器的模型，最后，根据约瑟夫森原理，对超导约瑟夫森结阵列振荡器的模型进行了模拟和分析，仿真得出了振荡器的各项参数值。该课题的研究是新方法、新技术的探讨，并取得了一些成果。本文系统研究了阵列与多种内、外部因素相互作用下的锁相振荡特性，首次提出了一种一维和二维超导约瑟夫森阵列的锁相振荡是阵列振荡器各种内、外部参数综合的理论。建立了能反映实际器件电路情况的阵列振荡器模型，对于阵列振荡器的实际电路设计具有很高的实用价值。建立了用于超导阵列振荡器时域模拟的专用软件，其软件能全面分析阵列结构的组成和各个部分的电特性对阵列振荡器锁相的影响。提出了二维阵列振荡器参数综合优化实际理论，在很大的一个叁维参数空间中，二维阵列都能保持相位锁定。叁维参数空间（相位保持稳定）的存在，很好的解决了结参数离散性问题。应用仿真摄动分析方法对多参数锁相振荡进行了深入研究，如果对任意某个结在短时间内施加微小电压扰动，使其相位和频率偏离。经过一段时间后，阵列能恢复到以前同步状态，就可以认为该阵列处于同相振荡的状态。超导约瑟夫森结阵列振荡器是国家自然科学基金项目，这种振荡器是一种具有广阔应用前景的高性能THz振荡源。这种器件在航空航天、天文探测、地球卫星遥感、卫星地面目标识别以及医疗诊断上均有着极为广阔的前景。超导约瑟夫森结阵列振荡器是近年来国际超导研究领域中极为活跃的研究课题之一，对这种器件开展深入的研究对于发展高新技术新型超导器件及设备、增强超导研究领域的科学技术水平和国防技术水平都具有十分重要的意义。该项研究工作的开展，对于探索超导阵列锁相机理以及实现高效准确的亚毫米波段超导约瑟夫森结阵列振荡器分析与设计，都有着十分重要的理论和实际价值。
吴炳国, 赵志刚, 尤育新, 刘楣[8]2007年在《二维约瑟夫森结阵列中的相变及噪声频谱研究》文中研究说明采用电阻分路(RSJ)模型,运用数值计算方法研究二维约瑟夫森结阵列的涡旋度,涡旋密度涨落随温度的变化,表明了超导阵列中存在KTB型相变.还研究了相变点附近的涡旋噪声频谱随温度、驱动电流变化的特性.计算结果与最近实验报导定性一致,并能用涡旋的运动图像来解释噪声频谱的变化规律.
安德越[9]2015年在《高温超导太赫兹检测器》文中研究表明太赫兹(THz)辐射具有许多独特的性质,使其在诸多领域有着诱人的应用前景。高灵敏、简单、易用的THz检测器,不仅是进行THz技术相关科学研究的基础,更是THz技术走向实际应用的必备条件。因此对THz检测器的研究是THz技术发展中最重要的环节之一。高温超导约瑟夫森结具有良好的高频响应,它作为THz检测器具有灵敏度高、噪声低、工作频带宽等优点。高温超导YBCO双晶结是约瑟夫森结的一种,它可以用作THz检测器,并且根据不同的原理具有多种不同的检测方式。本文的研究工作围绕高温超导YBCO双晶结THz检测器展开,主要研究了高温超导THz检测器的制备方法、基本特性及多种检测方式与应用,在高温超导THz检测器的实用化方面取得了较大的进展。本文的主要创新点有：1)首次利用高温超导YBCO检测器检测到高温超导BSCCO源的辐射,为高温超导集成THz接收机的研发提供了一种新途径。在BSCCO源THz辐射下,YBCO结电流电压曲线上最多出现7次Shapiro台阶。基于RSCJ模型进行数值仿真,计算出YBCO结处THz功率达82μW,频率为500GHz。2)提出了利用YBCO检测器快速表征BSCCO源辐射特性的新方法,用此方法研究了BSCCO源辐射功率、频率随偏置电流的变化规律。该方法利用了小功率辐射条件下可直接使用Shapiro台阶高度与位置表征THz辐射功率与频率的原理,避免了复杂的数值运算。研究表明当T=18 K时,通过调节BSCCO源的偏置电压,辐射频率从494 GHz变化到576 GHz。3)研发基于希尔伯特变换的小型高温超导THz频谱仪,高温超导THz检测结、THz耦合系统、双晶结电特性测量系统、频谱仪控制程序等核心模块均自主研发。频谱仪成功实现对0.1～2.5 THz辐射检测,最高频率分辨率达0.04 GHz@114 GHz,2 GHz@1.78 THz。4)开展了高温超导YBCO双晶结THz谐波混频检测的相关研究。在GM制冷机与Stirling制冷机两种制冷机上分别研发了高温超导THz混频检测系统,前者制冷功率强、控温范围广,主要用于科学研究；后者体积小巧、便于携带,主要用于实际应用。成功实现对20μW、623 GHz信号的谐波混频检测,谐波次数高达200次。
蒋来[10]2015年在《高温超导人工晶界磁通动力学仿真与实验》文中研究指明在高温超导体YBa2Cu3O7-δ薄膜中,晶界的存在引起各国科学家们广泛的关注。晶界可以降低所在区域的临界电流密度,成为磁通运动的诱导通道。在有晶界存在的样品中,研究磁通量子的动力学行为是当前超导和统计物理研究领域的一个热点。晶界又分为自然晶界和人工晶界,相比于复杂的自然晶界,人工晶界的位置和方向更容易控制。本文主要分析和研究了人工双晶晶界对磁通运动的影响。主要研究内容如下：首先建立人工双晶晶界磁通运动的数学模型,模型将超导材料抽象成一个无限大二维切面,基于周期性边界条件以及龙格-库塔方法,采用分子动力学方法进行仿真计算。通过仿真计算我们发现：晶界与电流方向x轴倾斜角度角度变化对磁通涡旋分布以及磁通运动速度有重要影响：晶界使得磁通分布变得不均匀并且随着倾斜角度的不断增大,可以发现晶界的耗散宽度变小,而磁通涡旋在水平方向的运动速度却经历由小变大再变小的过程,在竖直方向上的运动速度却不断增加。从仿真计算得到的I-V曲线,我们发现磁通运动速度与钉扎以及涡旋的数量有着密切的联系,磁通发生运动的临界电流值会随磁场增大而减小,随着钉扎数量的增加而增大。这些结论为了解带有人工晶界的高温超导体的钉扎特性奠定了重要基础。与此同时,我们还对晶界与x轴倾斜角度为30°,60°不同角度晶界以及无晶界这叁种不同的样品上进行实验验证从而验证仿真过程的合理性与正确性。通过实验测量,我们得到了两者基本一致的结论,充分证明晶界在高温超导体磁通运动中扮演着重要角色。
参考文献：
[1]. 高温超导约瑟夫森结物理特性的研究及其数值计算[D]. 张军琴. 西北大学. 2003
[2]. 高温超导约瑟夫森结物理特性的研究[D]. 林涛. 西北大学. 2002
[3]. 高温超导约瑟夫森结及阵列毫米波特性研究[D]. 岳宏卫. 南开大学. 2010
[4]. 超导约瑟夫森太赫兹检测器的研究[D]. 黄娅. 南京大学. 2018
[5]. 电阻电容分路的约瑟夫森结中的混沌研究[D]. 池婷婷. 长春理工大学. 2009
[6]. 超导约瑟夫森结和SQUID中的宏观量子效应[D]. 田野. 中国科学技术大学. 2006
[7]. 超导约瑟夫森结阵列振荡器研究[D]. 高斌. 西安电子科技大学. 2003
[8]. 二维约瑟夫森结阵列中的相变及噪声频谱研究[J]. 吴炳国, 赵志刚, 尤育新, 刘楣. 物理学报. 2007
[9]. 高温超导太赫兹检测器[D]. 安德越. 南京大学. 2015
[10]. 高温超导人工晶界磁通动力学仿真与实验[D]. 蒋来. 南京大学. 2015
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