约瑟夫森结阵列毫米波辐射与检测研究

本课题将研究高温超导约瑟夫森结阵列的毫米波信号的辐射和检测问题。由于单个约瑟夫森结能够产生的电磁波辐射信号很弱，不足以利用，所以本课题采用结阵列方法提高辐射功率。课题将研究提高双晶约瑟夫森结阵列毫米波辐射效率的有效途径，主要探索阵列天线参数、基片谐振等因素对结阵列毫米波辐射效率的影响，以及电阻旁路约瑟夫森结阵列的临界电流、正常电阻以及阵列结构等主要特性参数与设计、制作工艺等因素之间的关系。另外，本课题将研究TlBaCaCuO(2212)薄膜型本征约瑟夫森结阵列的毫米波信号的辐射性能。同时我们也要探索利用开放式的法布里-帕洛特（Fabry-Perot）谐振腔聚焦结阵列产生的毫米波信号。研究结阵列与F-P谐振腔之间的位置关系对输出信号的强度的影响。研究约瑟夫森结检测毫米波信号是本课题的另一个任务。我们将研究结的结构对检测灵敏度的影响，同时探索毫米波的功率与夏皮罗台阶的高度、曲线形状之间的关系。

约瑟夫森结具有灵敏度高，噪声低，功耗小，响应速度快，工作频率极高等一系列优异的性能，基于它开发出来的器件如超导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在基础物理研究、军事、航空航天、医学等领域中具有十分重要的应用。.本课题利用YBa2Cu3O7+δ（YBCO）双晶约瑟夫森结阵列进行了实验。在液氮温度，片外检测到了从166个双晶约瑟夫森结辐射出来的大约10pW、75.2GHz的电磁波。在倾斜角度20度的斜切LaAlO3（LAO）基片上外延生长了Tl-2212超导薄膜，用该薄膜制作了本征约瑟夫森结阵列。对该结阵列进行了实验研究，观测到了直流约瑟夫森效应。利用介质谐振天线，首次在液氮温区从薄膜本征结阵列中实现了频谱较窄的毫米波辐射。使用Bi-2212单晶制作平台结构的本征约瑟夫森结阵列，在1 THz以上成功观测到可调谐的太赫兹辐射。使用两个串联的平台结构组成的Bi-2212本征约瑟夫森结阵列，通过逐渐增加平台结构高度的方法，讨论了约瑟夫森结的数量和太赫兹辐射功率强度的关系。实验结果显示在单个平台结构中包含约740个约瑟夫森结时，得到的功率最大，~0.5 μW。