Сверхпроводящий источник термодинамического шума
SUPERCONDUCTING SOURCE OF THERMODYNAMIC NOISE

Изобретение относится к области измерительной техники для проведения исследований при низких температурах, в частности к приборам с переключением из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние или наоборот и может применяться в технике низких и сверхнизких температур.
Аналогом изобретения является термодинамический излучатель, который называют также черным телом, так как такой излучатель является идеальным (согласованным) поглотителем. Из измерения мощности, излучаемой черным телом, используя формулу Планка, можно определить температуру черного тела. И обратно, задав температуру черного тела, можно получить желаемую мощность излучения. (A.V. Uvarov, S.V. Shitov, A.N. Vystavkin. A cryogenic quasioptical millimeter and submillimemet wavelength bands blackbody calibrator - Measurement Techniques - 2010. - V. 53, No. 9. - P. 1047-1054). Черное тело в виде устройства с большой оптической апертурой (оптическое черное тело) часто используется для калибровки чувствительных детекторов, имеющих лишь антенный вход, например, оптических детекторов с площадными поглотителями (болометров). При этом излучение черного тела передается к антенне детектора в свободном пространстве по законам волновой оптики. В радиоволновом диапазоне приемная антенна, как правило, преобразует излучение оптического черного тела в электрический ток - в моду волноведущей линии. Большой интерес представляет комбинация двух вышеописанных способов, позволяющая расширить частотный диапазон использования чернотельного излучения.
Недостатком апертурного черного тела следует считать потерю точности калибровки входа устройства, подключенного к антенне. Это связано с омическими потерями и потерями преобразования в антенне и в фидерной линии, подсоединенной к входу устройства.
Аналогом термодинамической части изобретения при сверхнизких температурах является болометрический детектор, состоящий из сосредоточенного тонкопленочного поглотителя, интегрированного в планарную антенну. Одним из практических примеров такой системы является наноболометр на горячих электронах с поглотителем из нормального металла, который является естественным источником термодинамического шума (Normal Metal Hot-Electron Nanobolometer with Johnson Noise Thermometry Readout. В. S. Karasik, С. В. McKitterick, Т.J. Reck, D. E. Prober, https://arxiv.org/abs/1411.1118) на низких (гигагерцовых) частотах. В данном аналоге выходной шум наноболометра на горячих электронах регистрировался чувствительным усилителем и был представлен низкочастотной частью термодинамического спектра, описываемого формулой Планка (Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел - М: Наука, 1964. -225 с., ил). Мощность такого шумового сигнала представляет собой отклик на разогрев внешним излучением, который улавливается планарной антенной, превращается в тепло и увеличивает температуру электронного газа. Эта мощность может быть определена косвенным методом - путем сравнения с мощностью разогрева болометра постоянным током, вызывающую шумовой сигнал того же уровня и регистрируемая внешним (референсным) измерителем мощности (усилителя).
С точки зрения метрологии, такое сравнение мощностей является грубой оценкой и не предполагает калибровку эквивалентной температуры шума.
Наиболее близким аналогом предлагаемого источника термодинамического шума является согласованная СВЧ нагрузка (СВЧ абсорбер) в интегральном исполнении, Такой резистивный абсорбер является разновидностью черного тела и представляет собой термодинамический (шумовой) излучатель, в котором установить желаемый уровень шума можно, изменив температуру абсорбера, и этот метод используется для измерения (калибровки) собственных шумов высокочувствительных электронных устройств с волноведущими линиями [Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. - М.: Мир, 1986.- 399 с., ил.].
Недостатком ближайшего аналога является сильная тепловая связь абсорбера с подложкой, что приводит к следующему: 1) делает невозможным изменение температуры абсорбера без разогрева всего устройства, что, как правило, требует приложения значительной тепловой мощности, и 2) к проявлению эффекта температурной инерции, что не позволяет быстро изменять температуру черного тела; 3) к усложнению точного измерения температуры абсорбера, так как необходим специальный термометр, находящийся одновременно в хорошем контакте с поглотителем и не влияющий на частотные характеристики черного тела. В связи с этим на практике измеряется температура подложки или корпуса всего устройства.
Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в значительном снижении тепловой мощности, прилагаемой к источнику при измерениях, повышению производительности устройства в процессе исследований, а также к упрощению оборудования, используемого при измерениях.
Технический результат достигается в изобретении следующим образом.
Источник термодинамического шума содержит высокочастотную согласованную нагрузку, включающую поглотитель, выполненный в виде пленки микронного размера из сверхпроводящего материала, которая смонтирована на диэлектрической подложке совместно с компланарным волноводом, посредством электродов которого источник подключен к электрической цепи с возможностью устранения утечки высокочастотного сигнала и подачи постоянного тока. Источник включен в измерительную цепь и его вывод шумового сигнала подключен ко входу исследуемого устройства, а рабочая температура диэлектрической подложки лежит ниже температуры сверхпроводящего перехода материала поглотителя.
Кроме того измерительная цепь состоит из источника тока, вольтметра и исследуемого устройства в виде референсного измерителя мощности.
Также передача шумового сигнала источника к исследуемому устройству осуществляется по кабелю или по свободному пространству с помощью излучающей и приемной антенн.
В частном случае цепь задания постоянного тока выполнена в виде интегральной планарной структуры, включающей конденсатор и индуктор, которые подключены к двум выводам поглотителя и смонтированы совместно с ним на диэлектрической подложке.
Также в частном случае цепь задания постоянного тока выполнена в виде инжектора постоянного тока, включенного между нагрузкой и референсным измерителем мощности.
Технический результат достигается в изобретении за счет того, что температура поглотителя высокочастотной согласованной нагрузки контролируется с помощью подаваемого на него тока, когда поглотитель находится в нормальном состоянии, и может быть определена без применения специального термометра даже в том случае, когда температура поглотителя высокочастотной согласованной нагрузки отличается от температуры подложки; разогрев подложки и всего устройства может быть снижен на несколько порядков по сравнению с ближайшими аналогами.
В изобретении для вычисления эквивалентной шумовой температуры сверхпроводящего источника термодинамического шума (СИТШ) используется температура сверхпроводящего перехода материала пленки поглотителя, его теплопроводность с подложкой и подаваемый через источник ток. Уменьшение размеров поглотителя высокочастотной согласованной нагрузки до микронных позволяют уменьшить тепловую связь между пленкой поглотителя и подложкой, что приводит к более точному измерению локальной температуры поглотителя. Предложенная конструкция СИТШ позволяет интегрировать его в качестве функционального блока в составе сложной микросхемы при низких и сверхнизких температурах.
Изобретение поясняется чертежом, где представлены: на фиг. 1 общий вид гистерезисной вольтамперной характеристики сверхпроводящей пленки, на фиг. 2 схема включения СИТШ в измерительную цепь с волноведущим (кабельным) подключением для передачи сигнала, на фиг. 3 схема включения СИТШ в измерительную цепь с передачей сигнала по свободному пространству с излучающей антенны на приемную, на фиг. 4 частный случай расположения элементов и блоков относительно друг друга в СИТШ с цепью задания постоянного тока в виде инжектора постоянного тока, на фиг. 5 частный случай расположения элементов и блоков относительно друг друга в СИТШ со схемой передачи сигнала по волноведущим линиям, на фиг. 6 частный случай выполнения СИТШ со схемой передачи сигнала с использованием антенн.
Сверхпроводящий источник термодинамического шума включает следующие элементы. Высокочастотная согласованная нагрузка, включающая поглотитель 1 в пленочном исполнении, референсный измеритель 2 мощности (усилитель или детектор), конденсатор 3, индуктор 4, источник 5 тока, вольтметр 6, диэлектрическая подложка 7, коаксиальный кабель 8, излучающая антенна 9, приемная антенна 10, инжектор 11 постоянного тока, металлические электроды 12, 13, 14.
c
0
n
c
c
r
с
r
c
Фиг. 1 иллюстрирует общий вид гистерезисной вольтамперной характеристики сверхпроводящей пленки поглотителя. При увеличении тока от нуля до значения I пленка находится в сверхпроводящем состоянии (V=0) и тепловая мощность поглотителя 1 равна нулю, а сама пленка остается при температуре подложки Т. При достижении током значения 1 с происходит токовое разрушение сверхпроводимости, и происходит скачкообразный переход пленки в нормальное состояние, где поглотитель 1 ведет себя как обычный (линейный) резистор с сопротивлением R для значений тока выше критического тока. Вследствие появления напряжения при заданном токе I происходит выделение джоулевого тепла и повышение температуры, которую можно вычислить, используя формулу (2). При снижении тока ниже критического тока I переход обратно в сверхпроводящее состояние происходит не сразу, так как возникшая тепловая мощность  поддерживает поглотитель при температуре выше T в соответствии с уравнением (2). Скачкообразный переход обратно в сверхпроводящее состояние происходит при токе I, когда температура и ток разогрева снижаются соответственно до значения Т и I<I, что означает условия, при которых поглотитель должен находиться в сверхпроводящем состоянии.
Фиг. 2 иллюстрирует схему включения СИТШ в измерительную цепь с волноведущим подключением. Высокочастотная согласованная нагрузка в пленочном исполнении - поглотитель 1 является термодинамическим источником для тестирования референсного измерителя 2 мощности (усилителя или детектора) с волноведущим (кабельным) подключением. Конденсатор 3 выполняет роль замыкателя на землю для высокочастотного тока одного из выводов поглотителя. Индуктор 4 подсоединен к другому выводу поглотителя и выполняет роль замыкателя на землю для постоянного тока. Индуктор 4 одновременно выполняет роль бесконечно большого импеданса по высокой частоте и не влияет на шумовой сигнал в заданной полосе частот. Важная роль этого индуктора состоит в том, что он препятствует возникновению постоянного потенциала на входе испытываемого устройства в случае кабельного подключения. Измерительная цепь, в которую включается СИТШ, состоит из источника тока 5, вольтметра 6 и референсного измерителя 2 мощности. Источник 5 задает постоянный ток, разогревающий поглотитель 1. Вольтметр 6 предназначен для определения падения напряжения на поглотителе 1, что необходимо для определения электрической мощности, выделяемой в виде тепла. Интегральная планарная структура всего устройства сформирована на подложке 7. Волноведущее подключение устройства к референсному измерителю 2 осуществляется посредством коаксиального кабеля 8.
Фиг. 3 иллюстрирует схему включения СИТШ в измерительную цепь с передачей сигнала на референсный измеритель 2 по свободному пространству с излучающей антенны 9 на приемную антенну 10.
Фиг. 4 иллюстрирует частный случай расположения элементов и блоков относительно друг друга в СИТШ с цепью задания постоянного тока в виде инжектора постоянного тока, который физически эквивалентен традиционной согласованной нагрузке СВЧ и является разновидностью такой нагрузки. Эквивалентная схема этого устройства отличается от представленной на фиг. 2 тем, что цепи задания постоянного тока не являются интегральными, и представлены в виде стандартного устройства-инжектора 11 постоянного тока, включенного между нагрузкой и исследуемым устройством.
Фиг. 5 иллюстрирует частный случай расположения элементов и блоков относительно друг друга в СИТШ в соответствии с фиг. 2. На подложке 7 находится интегральная планарная структура поглотителя 1 высокочастотной согласованной нагрузки с электродами 12, 13 и 14 для подсоединения источника 5 тока, вольтметра 6 и референсного измерителя 2 мощности с волноведущим подключением. Вывод шумового сигнала СИТШ осуществляется по компланарному волноводу (металл показан штриховкой), согласованному с коаксиальным кабелем 8. При этом индуктор 4 и конденсатор 3 могут быть интегрированы в виде известных микроструктур резонансного типа.
Фиг. 6 иллюстрирует частный случай расположения элементов и блоков относительно друг друга в СИТШ в соответствии с фиг. 3. При передаче сигнала по свободному пространству с излучающей антенны 9 на приемную антенну 10 коаксиальный кабель 8 может отсутствовать, а излучающая антенна 9 может быть выполнена в виде одной из известных планарных антенн, (Merenkov A.V., Shitov S.V., Chichkov V.I., Ermakov А.В., Kim Т.M., Ustinov A.V. A Superconducting Resonator with a Hafnium Microbridge at Temperatures of 50-350 mK. - Technical Physics Letters, 2018. Vol. 44, No. 7, pp. 581-584).
Работа СИТШ осуществляется следующим образом. Подавая постоянный ток на высокочастотную согласованную нагрузку и переводя его в нормальное состояние с известным сопротивлением, можно вычислить электрическую мощность Р(Т) высокочастотной согласованной нагрузки в пленочном исполнении, из которой по формуле (1) вычислить эквивалентную шумовую температуру источника шума.
c
n
Текущая температура поглотителя 1, которая принципиально отличается от температуры подложки, определяется на основании параметров поглотителя 1: теплопроводности с подложкой 7 и критической температурой используемого сверхпроводящего материала. Подавая ток I, превышающий критический ток поглотителя 1, мы переводим пленку поглотителя 1 в нормальное (резистивное) состояние с сопротивлением R. Известно, что сопротивление сверхпроводящей пленки в нормальном состоянии слабо меняется при изменении температуры, что означает поддержание согласования поглотителя 1 с выходом шумового сигнала источника на необходимом уровне. Разогрев вычисляется, используя следующее уравнение:
где Р(Т) - электрическая мощность тока, выделяемая на поглотителе 1 высокочастотной согласованной нагрузке в пленочном исполнении;
T - температура разогрева поглотителя 1 такой нагрузки (локальная температура резистивной пленки);
G - теплопроводность между пленкой поглотителя 1 и подложкой 7;
0
T - температура подложки 7.
0
Непосредственно измеряемыми величинами являются ток и напряжение на пленке поглотителя 1, позволяющие вычислить значение Р(Т); температура T подложки 7 может быть измерена традиционным методом, например, контактным термометром. Теплопроводность G определяется из гистерезиса вольтамперной характеристики (ВАХ) пленки поглотителя 1 (см. фиг. 1), используя следующее уравнение теплового баланса:
r
где Ι - ток возврата пленки поглотителя 1 в сверхпроводящее состояние;
n
R - сопротивление пленки поглотителя 1 в нормальном состоянии;
c
T - известная критическая температура материала пленки поглотителя 1.
0
0
-3
Слабый разогрев подложки 7 происходит благодаря большой разнице между тепловыми сопротивлениями поглотитель-подложка и подложка-термостат. Полное тепловое сопротивление между пленкой поглотителя 1 и подложкой 7 определяется сопротивлением Капицы и площадью поглотителя 1. Если размер поглотителя 1 сделать настолько малым, насколько это позволяет технологический процесс, то можно увеличить тепловое сопротивление между ним и подложкой 7 на несколько порядков, что позволяет пренебречь вкладом подложки 7 в общее падение температуры и считать ее температуру однородной и постоянной, равной T. Расчеты показывают, что падение температуры на сапфировой подложке 7, толщиной 0,5 мм, при температурах менее 1 К не превышает 10 К при электрической мощности 1 мкВт, что лежит в пределах точности измерения температуры криогенного рефрижератора с типовой мощностью охлаждения 100 мкВт при температуре 50 мК. При этом измерение температуры T подложки 7 не является технической проблемой; эту температуру можно считать равной температуре термостата.
0
Преимущество изобретения состоит в малой выделяемой тепловой мощности, что позволяет использовать СИТШ при сверхнизких температурах, когда тепловой бюджет криогенных установок составляет единицы микроватт. Такой СИТШ калибровки шумом, в принципе, может быть интегрирован в качестве функционального блока в составе сложной микросхемы, работающей при низких и сверхнизких температурах. Выделяемая тепловая мощность при разогреве поглотителя 1 выше температуры термостата T определяется площадью теплового контакта поглотителя 1 и величиной удельного теплового сопротивления между пленкой поглотителя 1 и подложкой 7:
где σ - удельная теплопроводность между пленкой поглотителя 1 и подложкой 7;
s - площадь контакта между пленкой поглотителя 1 и подложкой 7;
ΔT- температурный перепад между поглотителем 1 и подложкой 7.
Анализ формулы (4) позволяет заключить, что, чем меньше размер поглотителя 1, тем меньше необходимая мощность для разогрева поглотителя 1 до заданной температуры.
Изобретение реализуется методами, аналогичными тем, что применяются для многих других микросхем СВЧ: производится расчет с помощью одного из известных методов электромагнитного моделирования [Cadence AWR Microwave Office https://www.awr.com/awr-software/products/awr-design-environrnent, Ansys HFSS https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss и др.], исходя из желаемой полосы частот, а изготовление - с использованием стандартных приемов тонкопленочных технологий [Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - М.: Высш. шк., 1986. - 368 с., ил.]. На гладкую поверхность диэлектрической подложки 7, подходящей формы и предварительно очищенную, осаждаются пленки поглотителя 1 и подводящих контактов. Для поглотителя 1 сверхпроводящая пленка осаждается одним из известных методов: термическим испарением, магнетронным или электронно-лучевым осаждением в вакууме. Сверхпроводящим материалом пленок может быть ниобий, алюминий, гафний, титан, нитрид ниобия и др. Осажденные пленки подвергаются литографической обработке в условиях чистой зоны. Требуемая структура, включающая в себя поглотитель 1 и токоподводящие линии с контактными площадками может быть получена с помощью процессов обратной "взрывной" литографии lift-off, плазмохимического или жидкостного травления пленок с использованием полимерных масок, полученных методом оптической или электронно-лучевой литографии.
Поглотитель 1 высокочастотной согласованной нагрузки и токопроводящие подводы могут быть изготовлены как из одного и того же сверхпроводящего материала, так и из разных материалов с условием, что температурный диапазон поглотителя лежит ниже критической температуры подводящих электродов. Контактные площадки, токопроводящие линии, индукторы 4 и конденсаторы 3 имеют форму, подходящую для включения в электрическую цепь, обеспечивают протекание тока по поглотителю 1 и разделение высокочастотного и низкочастотного сигнала. Число таких элементов цепи зависит от выбранной схемы подключения к источнику тока как показано на фиг. 5 и 6, а конкретная конструкция таких элементов определяется выбором из существующих решений.
-7
2
При температуре 5°К можно принять теплопроводность пленки ниобия на сапфировой подложке, определяемую сопротивлением Капицы, равной G=2,5⋅10Вт/К⋅мкм (Kuzmin А.А., Merker M., Shitov S.V., Abramov N.N., Ermakov A.B., Arndt M., Wuensch S.H., Ilin K.S., Ustinov A.V., Siegel M. Superconducting hot-electron nanobolometer with microwave bias and readout. arXiv: 1412.4502). При более низких температурах начинает играть роль ослабление электрон-фононного взаимодействия, что приводит к резкому снижению эффективной теплопроводности электронной подсистемы пленки сверхпроводника, что является благоприятным фактором для использования предлагаемого устройства при сверхнизких температурах.
Преимущество изобретения состоит в малой выделяемой тепловой мощности, что позволяет использовать источник шума при сверхнизких температурах, когда тепловой бюджет криогенных установок составляет единицы микроватт. Малый размер поглотителя позволяет разогревать его без заметного разогрева подложки и всего устройства, что перспективно для интеграции данного устройства в виде функционального блока в составе сложных микросхем.