Электродинамика сверхпроводников

4 курс, 36 час.

Локальная и нелокальная электродинамика. Теория Лондонов. Градиентная инвариантностью Глубина проникновения поля. Кинетичкская индуктивность. Влияние экрана на индуктивность. Уравнение Пиппарда. Длина когерентности. “Чистые” и “грязные” сверхпроводники. Предельные случаи. Теория Гинзбурга-Ландау. Параметр порядка. Термодинамический потенциал Гиббса. Параметр Гинзбурга-Ландау. Применение теории Гинзбурга-Ландау. Критический ток тонкой пленки. Явление распаривания. Энергия границы раздела сверхпроводящей и нормальной фаз. Сверхпроводники 1 и 2 рода. Тонкие и толстые сверхпроводящие пленки. Их свойства и критические параметры.

Сверхпроводники 2 рода. Структура одиночного абрикосовского вихря. Квант потока магнитного поля. Энергия вихря и первое критическое поле. Сила Лорентца, взаимодействие вихрей. Второе критическое поле. Решетка абрикосовских вихрей. Третье критическое поле. Концепция критического состояния. Взаимодействие вихрей с центрами пиннига. Критический ток сверхпроводников 2 рода. Резистивное состояние.

Распределенный джозефсоновский переход. Джозефсоновская глубина проникновения, джозефсоновский вихрь и его эергия. Критическое поле. Критический ток распределенного джозефсоновского перехода.

СВЧ электродинамика сверхпроводников. Комплесная проводимость, поверхностный импеданс. Теория Маттиса-Бардина. Сверхпроводящие линии передачи и резонаторы.

Особенности электродинамики высокотемпературных сверхпроводников. Модель слоистого сверхпроводника. Критические поля и токи. Оценки основных электродинамических параметров. СВЧ импеданс.

Введение в физику сверхпроводимости и одноэлектронные эффекты

2 курс, 3 семестр, 32 часа, факультативный курс.

Обзор основных свойств сверхпроводников. Критическая температура. Эффект Мейсснера-Оксенфельда. Глубина проникновения поля. Критическое магнитное поле. Критический ток. Сверхпроводники 1 и 2 рода. Магнитные свойства. Промежуточное и смешанное состояния. Абрикосовские вихри. Квант магнитного потока. Элементы равновеной термодинамики сверхпроводников.

Эффект Джозефсона. Феномен Купера. Куперовские пары. Типы джозефсоновских элементов. Резистивная модель. Вольт-амперная характеристика. Джозефсоновская генерация, ее частота и форма. Джозефсоновские вихри. Сверхпроводящие квантовые интерферометры. Квантование магнитного потока. Сквиды.

Основные направления сверхпроводниковой электроники. Аналоговые устройства и их характеристики. Цифровые устройства, АЦП и ЦАП. Цифровые устройства на одиночных квантах магнитного потока.

Одноэлектроника. Зарядовые эффекты в туннельных структурах из нормальных проводников. Условия наблюдения. Вольт-амперная характеристика нормального туннельного перехода сверхмалых размеров. Кулоновская блокада и одноэлектронные осцилляции. Сверхпроводящий туннельный переход сверхмалых размеров. Вольт-амперная характеристика и блоховские осцилляции. Эффект четности.

Основные направления использования одноэлектронных эффектов. Одноэлектронный транзистор. Сверхчувствительный электрометр. Стандарт тока. Цифровые устройства.

Основы электроники и элементы радиофизики

4 курс, 8 семестр, 32 часа.

Биполярные транзисторы. Эквивалентная схема, основные характеристики. Основные схемы и способы использования. Емкость и эффект Миллера. Полевые транзисторы. Основные характеристики, Основные схемы и способы использования. Системы с обратной связью. Типы обратной связи. Условия устойчивости. Автоколебательные системы. Операционный усилитель (ОУ). Основные схемы на ОУ. Фильтры, их типы и основные характеристики.

Коды. Цифровые схемы, из типы и сравнительные характеристики (логические уровни, энерговыделение, быстродействие). Базовые элементы. ЦАП и АЦП, их типы и основные характеристики.

Шумы. Типы шумов, наводки. Модель усилительного каскада на биполярном и полевом транзисторах с шумами. Шумовое сопротивление. Приемы уменьшения помех и наводок.

Нелинейный колебательный контур. Линейные системы с двумя степенями свободы. Собственные и парциальные частоты. Связь и связанность. График Вина. Автоколебательные системы томсоновского типа с одним доьротным контуром и двумя связанными контурами. Мягкое и жесткое возбуждение. Явление затягивания частоты. Синхронизация автоколебаний внешним гармоническим сигналом. Взаимная синхронизация двух автогенераторов. Хаос в динамических системах.

Параметрические системы. Линейная система с переменными параметрами. Уравнения Хилла и Матье. Области параметрического возбуждения. Влияние нелинейности реактивного параметра. Мягкий и жесткий режимы возбуждения колебаний. Энергетические соотношения Мэнли и Роу.

Основы сверхпроводниковой электроники

5 курс, 9 семестр, 36 часов.

Сквиды. Переход в сверхпроводящем кольце. Динамика скачков. Базисная схема сквида переменного тока. Основные соотношения. Гистерезисный и безгистерезисный режимы работы. Высокочастотная и сигнальная характеристики сквида.. Флуктуации в сквиде. СВЧ сквиды. Два перехода в сверхпроводящем кольце. Сквиды постоянного тока. Релаксационный режим работы. Балансный релаксационный сквид. Флуктуации. Характеристики современных сквидов. ВТСП сквиды.

Стандарты и умножители напряжения. Уточнение значений физических констант. Стандарт напряжения на одиночном джозефсоновском переходе. Стандарты вольта на цепочках джозефсоновских переходов.. Возможность применения ВТСП.

СВЧ устройства. Линейные приемные устройства. Параметрические усилители на джозефсоновских переходах. Самонакачка и внешняя накачка. Смесители на джозефсоновских и квазичастичных переходах. Преобразование по частоте вверх и вниз. Квантовый предел чувствительности. Квадратичные приемные устройства.

Стробоскопические преобразователи. Стробоскопические преобразователи на туннельных джозефсоновских переходах. Балансные компараторы. Стробоскопические преобразователи на безгистерезисных джозефсоновских переходах. Возможность использования ВТСП.

Цифровые устройства. Физические основы применения эффекта Джозефсона в вычислительной технике. Основные способы хранения и обработки информации. Преимущества сверхпроводниковых схем. Рекордные параметры, достигнутые на различных элементных базах. Быстрая одноквантовая (БОК) логика. Сверхпроводящие аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи Дифференциальное кодирование сигнала в сверхпроводниковых АЦП.

Введение в одноэлектронику

5 курс, 9 семестр, 32 часа.

Зарядовые эффекты в туннельных структурах из нормальных проводников. Условия наблюдения. Ортодоксальная теория в рамках сосредоточенной модели. Гамильтониян системы. Выражение для вероятности туннелирования электрона в единицу времени. Матрица плотности. Уравнение Фон-Неймана. Уравнение Фоккера-Планка. Основное уравнение для рассматриваемой системы. для туннельного тока. Плотность состояний. Туннельное сопротивление. Диссипация энергии.. Вольт-амперная характеристика нормального туннельного перехода сверхмалых размеров. Кулоновская блокада и одноэлектронные осцилляции. Спектральные характеристики.

Сверхпроводящий туннельный переход сверхмалых размеров. Гамильтониан системы. Энергетический спектр. Сильное и слабое джозефсоновское взаимодействие. Кулоновская блокада туннелирования куперовских пар. Блоховские осцилляции. Вольт-амперная характеристика. Квантовое макроскопическое туннелирование. Сосуществование одноэлектронных и блоховских колебаний. Вольт-амперная характеристика. Спектральные характеристики. Синхронизация блоховских осцилляций внешним сигналом.

Одноэлектронный и блоховский транзисторы. Гамильтониан системы. Кулоновская блокада. Одноэлектронный транзистор как сверхчувствительный электрометр и гальванометр. Сосуществование блоховских и джозефсоновских осцилляций в сверхпроводящем транзисторе. Эффект четности. Андреевское отражение электронов. Кулоновская блокада андреевского отражения. Процессы в цепочках туннельных переходов сверхмалых размеров. Вольт-амперные характеристики. Влияние локализованных зарядов. Возможные применения таких структур.