Рис 17. Интерфейс программы для измерения ВАХ образца.
Программа на рисунке 17. Выводит показания измеренного напряжения на образце, развертку тока, а также, сопротивление термометра.
2.6 Измерение вольт-амперной характеристики образца.
Калибровка термометра RuO2
Так как кинетическая индуктивность зависит от температуры, то нам нужно знать температуру образца в каждый момент времени. Для этого был использован термометр на основе RuO2,сделанный в виде чип резистора(Сinetech RMC -18)
Так как данный термометр уже давно использует в низкотемпературных экспериментах, то для него выведена формула для перевода сопротивления в температру, которая очень хорошо коррелирует с нашими экспериментальными данными
(51)
На основе этой формулы выведем обратную зависимость
(52)
Рис 18. Зависимость R(T) RuO2(теоретические и экспериментальные данные)
Рис 19. Зависимость T от R для RuO2.
Синими точками представлены экспериментальные данные, красной линией представлены теоретические расчеты, как мы видим экспериментальные данные хорошо накладываются на теоретическую кривую.
Измерение вольт-амперной характеристики образца
В данной работе мы измеряли вольт-амперную характеристику по схеме из статьи[16] по 4-ех точечной схеме подключение.
Ниже на графиках будут представлены зависимость ток, напряжения и сопротивления RuO термометра от времени.
Рис 20. Зависимость от времени (слева) тока в нА, (справа) сопротивление RuO2 в кОм
Рис 21. Зависимость от времени (слева) напряжения в В
Рис 22. Переход в сверхпроводящее состояние
Временная зависимость тока и напряжения на образце (сиреневые кривые, лева шкала) и температуры в единицах сопротивления RuO2 термометра(синие кривые, права шкала). Черными стрелками указаны события перехода образца в сверхпроводящее состояние.
Голубая пунктирная линия относится к правой шкале и показывает сопротивление термометра в точке сверхпроводящего перехода.
Сопротивление сверхпроводящего перехода в единицах сопротивления резистора RRuO2 = 24500, что в переводе в единицы температуры по формуле (52) Tc = 6.5K
Зависимость сопротивления от температуры меандра
Рис 23.Зависимость сопротивления от температуры меандра
2.7 Измерение АЧХ меандра NbN
Для измерение АЧХ меандра был использован vector network analyzer, описанный в главе 2.5.2. в режиме RL.
Ход эксперимента.
Изначально криогенная вставка помещается в сосуд Дьюара и пред охлаждается за счет внешнего сосуда Дьюара с жидким азотом. Это делается для того, что бы уменьшить испарения гелия во время эксперимента и увеличить скорость установления конечной температуры.
После пред охлаждения. В сосуд Дьюара заполняется жидким гелием , который также охлаждается за счёт внешнего Дьюара. После этого начинается перекачать жидкого гелия в наш сосуд Дьюара.
В данном эксперименте мы изменяли температуру образца от комнатной до температуры жидкого гелия. Изменение температуры осуществлялось опусканием криовставки от уровня выше гелия и до гелия. На каждом интересующем нас диапазоне температур мы оставляли вставку до момента установления конечной температуры и производили измерения АЧХ.
Рис 24. Измерительная установка
На рисунке 24 показа измерительная вставка и сосуд Дьюара, а также прибор, которые использовались для измерения.
Результаты измерения АЧХ при различных температурах представлены на рисунке 25.
Рис 25. Зависимость Rl(db) от частоты F при различных значениях температуры.
На данном графике представлены 3 измерения до критической температуры, при критической температуре и ниже критической температуры.
Розовая кривая соответствует температуре Т = 4.3К и резонансной частоте
f r= 10Мгц
Голубая кривая соответствует температуре Т = 6.5К и резонансной частоте
f r= 13.8Мгц
К сожалению, экспериментальные данные не соответствуют нашим теоретическим расчётам зависимости кинетической индуктивности от температуры. В дальнейшем будет использована ряд дополнений к измерительной установки, а именно, использованы специальные криогенные фильтры и усилители, которые могут работать при температурах жидкого гелия.
Заключение
сверхпроводник кинетический индуктивность
Целью данной работы являлось изучение эффекта кинетической индуктивности в квазиодномерных сверхпроводниках.
В данной работе были выполнены теоретические исследования характера кинетической индуктивности в зависимости от различных параметров на основании актуальных теоретических и экспериментальных работ последних лет.
В экспериментальной части работы была выполнена сборка и отладка специального оборудования для работы при низких температурах. Написаны программы для осуществления работы с измерительным оборудованием.
Были измерены амплитудно-частотные и вольт -амперные характеристики сверхпроводящего меандра NbN.
В дальнейшем планируется продолжать изучение кинетической индуктивности и использование ее как «вспомогательного» блока электронной цепи, в роли фильтра высоких частот.
Выражаю благодарность базовой кафедре МИЭМ НИУ ВШЭ ЗАО «Сконтел» за предоставленные образцы. А также, работникам ИФП им. П. Л. Капицы РАН за оказания помощи при работе над дипломом.
Список литературы
1. J.E. Sauvageau ; D.G. McDonald IEEE Transactions on Magnetics ( Volume: 25 , Issue: 2 , March 1989
2. P.K. Day, H.G. Leduc, B.A. Mazin, A. Vayonakis, and J. Zmuidzinas, "A broadband superconducting detector suitable for use in large arrays", Nature, vol. 425, pp. 817-821, 2003
3.Бессонов Л.А Теоретические основы электротехники (1994)
4.London, F.; H. London (March 1935). “The Electromagnetic Equations of the 5.Supraconductor”. Proc. Roy. Soc. (London). A149 (866):
6.Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. Т.1. М.: Мир, 1979
7.Foundations of Applied Superconductivity. Terry Orlando. Kevin Delin
8. Lumped Element Kinetic Inductance Detectors. Simon Doyle
9. Введение в физику сверхпроводников / В. В. Шмидт . - 2-е изд., испр. и доп . - М. : МЦНМО, 2000
10. S. Kubo, M. Asahi, M. Hikita and M. Igarashi, Appl. Phys. Lett. 44, 258 (1984)
11. В. Л. Гинзбург и Л. Д. Ландау. // ЖЭТФ. -- 1950. -- Т. 20. -- С. 1064.
12. Tinkham M. Introduction to Superconductivity. Second edition. McGraw-Hill, New York, 1996.
13. Annunziata A J 2010 Ph.D. dissertation, Yale University
14 .Anlage S M, Snortland H J and Beasley M R 1989 IEEE Trans. Mag. 25 1388-91
15. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, "Microscopic Theory of Superconductivity", Phys. Rev. 106, 162 - 164 (1957)
16. David Niepce, Jonathan Burnett, Jonas Bylander .Phys. Rev. Applied 11, 044014 (2019)
17. Kuz'michev N. D., Motulevich G. P., Determination of electronic characteristics of niobium nitrideby optical methods. ZheTF 84 (1983)
18. V. V. Zavyalov, S. A. Chernyaev, K. V. Shein, A. G. Shukaleva and K. Yu. Arutyunov, Examination of cryogenic filters for a multistage RF filtering system required for ultralow temperature experiments, Journal of Physics: Conference series 969, 012086 (2018)