КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 17-19-01786

НазваниеМатричный сверхпроводящий сенсор с высокочастотным считыванием

РуководительШитов Сергей Витальевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2017 г. - 2019 г.

Конкурс№18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые словаНаноструктура, сверхнизкая температура, сверхпроводящий переход, сенсор на краю сверхпроводящего перехода, эквивалентная шумовая мощность, электрон-фононное взаимодействие, сверхпроводящий резонатор, оптический отклик, черное тело, чернотельный излучатель

Код ГРНТИ29.35.47

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение предельных возможностей радио-видения в широкой области электромагнитного спектра с целью выявления природных и технико-технологических процессов, недоступных для наблюдения человеческим глазом. Современные проекты, использующих прием или управляемое распространение радиоволн, в том числе с целями дистанционного зондирования и узконаправленной связи, включая проекты космической радиоастрономии, все чаще ставят своей целью картографирование объектов в реальном времени с частотой не менее 1 кадра в секунду. Главные перспективы такого картографирования лежат в области разработки методов радио-видения, при использовании которого приоритет отдается не сканированию объекта узконаправленным лучом, а матричному (многолучевому) сенсору. При этом прослеживается тенденция смыкания радиотехнических и оптических методов наблюдения. Законы распространения субмиллиметровых волн приближаются к световым, и терагерцовые сенсоры позволяют получать пространственное разрешение порядка нескольких миллиметров. Активно разрабатываются технологии терагерцовых детекторов, пригодные для создания изображающих матриц из тысяч и десятков тысяч детекторов. В случае пассивных сенсоров теплового излучения для получения изображения высокого контраста матрица должна быть снабжена детекторами с предельно малым собственным шумом. Этому способствует глубокое охлаждение всей матрицы, а также эффективная система считывания, позволяющая использовать все время между кадрами для интегрирования полезного сигнала, уменьшая при этом влияние шумов. Задачами данного проекта является поиск оптимальной электродинамической конфигурации и экспериментальная проверка новых подходов к созданию охлаждаемого сверхмалошумящего матричного болометра на горячих электронах. Предложенное нами инвазионное высокочастотное считывание состояния нано-мостика в режиме его перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние совершенно естественным путем позволяет реализовать матрицу с частотной селекцией (мультиплексированием) пикселей (frequency division multiplexing, FDM), поместив нано-мостик в резонатор и связав такой резонатор с общим фидером наподобие того, как это реализовано для MKID детекторов. Авторы проекта дали такой концепции название RFTES (radio-frequency transition edge sensor) и продемонстрировали ее перспективные электродинамические характеристики при охлаждении до температур жидкого гелия [1], [2]. В ходе данного проекта планируется демонстрация RFTES при температурах 100-500 мК с применением нано-мостиков из гафния и титана, на основе которых будет создана и исследована гексагональная матрица-прототипа из 7 пикселей. Такая структура представляет собой элементарную ячейку соты, которые можно объединять (масштабировать) с целью увеличения числа пикселей в конечной матрице. В случае успеха проекта, будут получены новые данные, описывающие закономерности разогрева нано-объемного электронного газа в нано-мостиках с использованием одновременного воздействия двух сигналов, один из которых является полезным терагерцовым сигналом, а второй - инвазионным измерительным (зондовым) сигналом в диапазоне 1-10 ГГц. Результаты проекта будут способствовать созданию нового поколения сверхвысокочувствительных болометрических детекторов (NEP<10(-19) Вт/√Гц) и матриц неограниченного размера из таких детекторов с параллельным считыванием для широкого спектра применений в физике, астрономии, а также для целей общественной безопасности. [1] S. V. Shitov, “Bolometer with high-frequency readout for array applications,” Technical Physics Letters, vol. 37, pp. 932–934, 2011. [2] S. V. Shitov, N. N. Abramov, A. A. Kuzmin, M. Merker, M. Arndt, S. Wuensch, K. S. Ilin, E. V. Erhan, A. V. Ustinov, M. Siegel, "Wide-Range Bolometer with RF Readout TES," IEEE Trans. Appl. Supercond. 12/2014; 25(3). DOI:10.1109/TASC.2014.2385090

Ожидаемые результаты
1. Впервые будут разработаны физические модели для инвазионного управления и считывания нано-мостика в режиме перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние при высокочастотным воздействии, в том числе с полной гальванической изоляцией от электродов. Будут определены предельные параметры для стабильности такого режима, описаны условия его применимости. 2. Впервые будут разработаны электродинамические модели и экспериментальные структуры для инвазионного управления и считывания нано-мостика в режиме перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние в составе высокодобротных резонансных структур с встроенными терагерцовыми антеннами, в том числе с полной гальванической изоляцией от электродов. На основе таких мостиков будет разработана гексагональная матрица-прототип - кластер из 7 пикселей с частотной селекцией. Будут определены допуски и ограничения на технологию изготовления таких структур. 3. Впервые будут изготовлены и экспериментально исследованы при температурах 100-500 мК сверхпроводящие нано-мостики, в том числе с гальванической изоляцией на основе пленок AlOx и HfOx, а также исследован вклад контактов постоянного тока в паразитную диффузию горячих квазичастиц при различных амплитудах воздействия на частотах 1-10 ГГц в магнитном поле. Будет создана экспериментальная установка и проведены измерения оптической чувствительности структур с применением чернотельного источника излучения в диапазоне антенны 600-700 ГГц. 4. Впервые будет изготовлен и экспериментально исследован при температурах 100-500 мК кластер из 7 пикселей с частотной селекцией в диапазоне 1-10 ГГц. Для этого будет создана экспериментальная установка, включающая в себя мульти-тональный программируемый генератор опорного (гребенчатого) спектра на основе ПЛИС. Будут проведены измерения базовых параметров новой матрицы, а также демонстрация статического и динамического изображения с такой матрицы с применением чернотельного источника излучения в диапазоне антенны 600-700 ГГц. 5. По оригинальным материалам исследования будет опубликовано не менее 8 статей в рейтинговых журналах, а также будут разработаны методические рекомендации по использованию результатов проекта при разработке матриц большой размерности и их практическому применению в научных исследованиях и для мониторинга общественной безопасности. Результаты будут представлены для обсуждения на профессиональных научных конференциях международного формата.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В результате первого года проекта был получен необходимый набор новых экспериментальных данных по технологии и тепло-физическим параметрам сверхпроводящих пленок гафния для создания сверхчувствительных болометров терагерцового излучения, построенных по новому принципу и использующих СВЧ-смещение и считывание. Разработана и создана установка для измерения электрических и оптических параметров таких болометров. Полученные оценки чувствительности первых образцов с мостиками размером 2 х 2 мкм лежат на уровне самых лучших опубликованных ранее в мире результатов (NEP < 1 атто-ватт/Гц^1/2). Данные исследования уже были представлены на международной конференции (ISEC 2017, Сорренто, Италия) и на всероссийской конференции (5 Московская микроволновая неделя) и получили положительные отзывы. В печать направлена научная статья, которая будет издана в рейтинговом журнале "Письма в журнал технической физики" (Q2) в начале 2018 года. Все это позволяет сделать заключение о целесообразности продолжения проекта в 2018 году и дать оптимистический прогноз по завершению проекта в 2019 году в полном объеме.

Публикации

1. Меренков А. В., Шитов С. В., Чичков В. И., Ермаков А. Б., Ким Т. М., Устинов А. В. A Superconducting Resonator with a Hafnium Microbridge at Temperatures of 50–350 mK Technical Physics Letters, 2018, Vol. 44, No. 7, pp. 581–584. ISSN 1063-7850 © Pleiades Publishing, Ltd., 2018 (Original Russian Text © 2018, published in Pis’ma v Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki, 2018, Vol. 44, No. 13, pp. 59–67). (год публикации - 2018)

2. Меренков А. В., Шитов С. В., Чичков В. И., Ермаков А. Б., Устинов А. В. Сверхпроводящий RFTES детектор на основе пленки гафния при температурах 50-300 милликельвин Сборник тезисов 5 Всероссийской микроволновой конференции, - (год публикации - 2017)

3. Меренков Алексей, Шитов Сергей, Чичков Владимир, Ермаков Андрей, Устинов Алексей Superconducting RFTES Detector at Milli-Kelvin Temperatures Extended Abstracts of ISEC 2017, - (год публикации - 2017)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основным результатом второго года проекта является подтверждение работы нового детектора, предназначенного для создания изображающих матриц терагерцового диапазона с микроволновой селекцией пикселей. Этот результат снимает фундаментальные ограничения для создания прототипа изображающего радиометра с рекордным уровнем чувствительности для астрономических применений и поддержки общественной безопасности. Чувствительная область нового детектора представляет собой сверхпроводящий поглотитель на горячих электронах, чей отклик считывается на частоте около 1,5 ГГц. Поглотитель представляет собой микромостик из гафния (Tc ≈ 375 мК, Rn ≈ 30 Ом), демонстрирующий нелинейный импеданс. Мостик размером 2,5 мкм х 2,5 мкм х 50 нм встроен в кремниевый чип рядом с открытым концом четвертьволнового копланарного резонатора из Nb добротностью около 10 000, который слабо связан с проходной СВЧ линией. Работа схемы была проверена при температурах 50-350 мК, получено плавное изменение параметра пропускания линии S21 от приложенной микроволновой мощности на резонансной частоте. Модель теплообмена горячего электронного газа в мостике, P ~ Te^6-Tph^6, была подтверждена методом фиксированных потерь в резонаторе. Схема была проверена на интеграцию с планарной антенной 600-700 ГГц, которая служит не только улавливателем терагерцового излучения, но также встроенным полосовым фильтром на входе датчика. Были оценены внутренний NEP около 10^(-18) Вт/√Гц и соответствующая температура кроссовера для фонового излучения около 5 К, что достаточно для практического болометра, работающего на борту космической радиообсерватории при температуре рефрижератора около 200 мК. Было подтверждено, что оптимальная частота считывания находится на пике резонанса, что сводит к минимуму влияние фазовой нестабильности в приемной системе. Новый детектор является, по сути, линейным преобразователем мощности микроволновой накачки, управляемый терагерцовым излучением, и может работать с усилением. Настоящее исследование может оказаться полезным для более широкого круга применений, например, для электронной термометрии с использованием микроволн.

Публикации

1. Меренков А.В., Чичков В.И., Ермаков А.Б., Устинов А.В., Шитов С.В. Superconducting RFTES Detector at Milli-Kelvin Temperatures IEEE Trans. Appl. Supercond, 2018, Vol. 28, Issue 7, id. 282798110/2018, DOI: 10.1109/TASC.2018.2827981 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1109/TASC.2018.2827981

2. Меренков А.В., Чичков В.И., Ермаков А.Б., Устинов А.В., Шитов С.В. Microwave impedance control and readout of a hafnium microbridge at millikelvin temperatures IEEE Trans. Terahertz Sci. Tech., - (год публикации - 2020)

3. Меренков А.В., Чичков В.И., Шитов С.В. Express analysis of the dependence of the superconducting film critical temperature on its thickness Measurement Techniques, 2019, No.11, PP.43-48 DOI: 10.32446/0368-1025it.2019-11-43-48 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-11-43-48

4. Оспанова А.К., Карабчевски А., Башарин А.А. Metamaterial engineered transparency due to the nullifying of multipole moments Optics Letters, (2018) Vol. 43, Issue 3, PP. 503-506, FEB 1 2018 DOI: 10.1364/OL.43.000503 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1364/OL.43.000503

5. Меренков А.В., Чичков В.И., Устинов А.В., Шитов С.В. Analysis of Microwave-Readable RFTES Bolometer Proc. 13th Workshop on Low Temperature Electronics, WOLTE-13, IOP Conf. Series: Journal of Physics, (2019) 1182, p. 012009 DOI:10.1088/1742-6596/1182/1/012009 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1182/1/012009

6. Шитов С. В. Камера дистанционного температурного контроля -, RU 188 418 U1 (год публикации - 2019)

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Впервые создана 7-милинзовая гексагональная матрица терагерцовых болометров с применением микроволнового разогрева электронного газа в микромостиках из пленки гафния толщиной 50 нм в диапазоне частотного мультиплексирования 1,3-1,6 ГГц. Такая матрица позволяет иметь чувствительность каждого пикселя около 10^(-17) Вт/√Гц. Матрица создана на основе единого чипа размером 14х14 мм, антенные структуры которого совмещены с оптическими осями семи линз, установленных в прецизионно изготовленном детекторном блоке. Впервые предложен многопиксельный криогенный динамический тепловой объект с диапазоном перестройки температуры 5-30 К с ультра-малым тепловыделением и характерным временем короче 0,01 с, что позволяет использовать его в качестве калибратора чувствительных детекторов при сверхнизких температурах, например, внутри криостата растворения при температурах 30-300 мК. Материалы исследований опубликованы по следующим темам: - Детальное исследование электронной термометрии с помощью определения СВЧ импеданса сверхпроводящего мостика. - Концептуальная новизна и прорывной потенциал изображающих матриц с СВЧ термометрией электронного газа. - Метрологически значимый метод построения зоны измерений для снижения фоновой термодинамической температуры, позволяющей увеличить скорость регистрации динамического изображения более, чем на порядок. - Возможность использования уникальных свойств тороидных метаматериалов для сверхплотной упаковки спектра FDM матриц и получения идеальной изоляции болометрического поглотителя. - Возможности практической реализации сверхдобротных тороидных метаматериалов с эффектом анаполя под управлением сверхпроводящего перехода.

Публикации

1. Кожокарь М., Меренков А., Ковалев Ф., Шитов С., Башарин А. Meta-Bolometer based on toroidal response Optics Letters, - (год публикации - 2020)

2. Лабате Г., Оспанова А.К., Немков Н.А., Башарин А.А., Матековиц Л. Nonradiating Anapole Condition Derived from Devaney-Wolf Theorem and Excited in a Broken-Symmetry Dielectric Particle Optics Express, - (год публикации - 2020)

3. Немков Н.А., Башарин А.А., Федотов В.А. Electromagnetic sources beyond common multipoles Physical Review A, Vol. 98, Issue 2, p. 023858 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.023858

4. Шитов С.В. A chamber for enhancement of contrast for remote temperature measurements at microwaves Measurement Techniques, - (год публикации - 2020)

5. Кожокарь М.В., Чугуевский В.И., Вольский Н.А., Башарин А.А. Magnetic high-Q resonance in planar toroidal metamaterial Proceedings of the International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Proceedings of the ICEAA (2019), pp. 0696 - 0700, Granada, Spain (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1109/ICEAA.2019.8879097

6. Меренков А.В., Чичков В.И., Ермаков А.Б., Шитов С.В. Исследование высокочастотного нелинейного импеданса микромостика из гафния для электронной термометрии и детектирования аттоваттных сигналов Сборник трудов семинара «Актуальные проблемы физики конденсированных сред» 29-30 октября 2019 г. Черноголовка, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.26201/ISSP.2019.45.557/XII_FKS.30

7. Шитов С.В. Камера дистанционного температурного контроля -, RU 188 418 U1 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Получены уникальные результаты, открывающие новые перспективы в разработке сверхпроводниковых болометрических сенсоров с МЭШ аттоваттного уровня, в том числе, терагерцового диапазона, в том числе килопиксельных изображающих матриц с частотной селекцией пикселей в диапазоне гигагерцовых частот с шагом селекции около 1 МГц, обладающих одновременно простотой в обращении, высоким быстродействием и уникальной защищенностью от электромагнитных помех, для решения фундаментальных проблем физики, включая радиоастрономию, а также для поддержания общественной безопасности в рамках методов пассивной и активной подпокровной радиолокации, на частотах сигнала от нескольких десятков ГГц до частот оптического диапазона.