Распространение электромагнитных волн в структурах с тонкими пленками сверхпроводника второго рода в резистивном состоянии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

N

ГОЛОВКИНА МАРИЯ ВИЛЕВНА

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В СТРУКТУРАХ С ТОНКИМИ ПЛЕНКАМИ СВЕРХПРОВОДНИКА ВТОРОГО РОДА В РЕЗИСТИВНОМ СОСТОЯНИИ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

САМАРА - 1998

Работа выполнена в Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики (г. Самара)

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор ГЛУЩБНКО А.Г. (ПГАТИ, г. Самара)

Официальные оппоненты: - заслуженный деятель науки РФ;

доктор технических наук, профессор РАЕВСКИЙ С.Б. (Нижегородский государственный технический университет); - кандидат физико-математических наук, доцент ЗАЙЦЕВ В.В. (Самарский государственный университет)

Ведущая организация - Самарский государственный

технический университет

Защита состоится " &" ¿СЮ/ЦЛ 1998 г. в /О часов 1 заседании диссертационного совета К 118.10.02 по присужден« ученой степени кандидата физико-математических наук Поволжской академии телекоммуникаций и информатики по адрес 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, завереннь печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанное адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГАТИ. Автореферат разослан " ¿<7 " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор технических наук, — ---

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С открытием в 1986 году высокотемпе-гурных металлооксидных сверхпроводников актуальными стали тросы их практического применения в микроэлектронике. Успехи миологии высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), до-(гнутые за последние годы, открывают широкие перспективы вменению таких материалов в микроэлектронике. В фокусе вни-ния исследователей находятся также периодические слоистые си-;мы, включающие в себя слои сверхпроводника, которые облада-• рядом принципиально новых по сравнению с однородными ма-эиалами характеристик. К таким системам относятся многие при-дные соединения (дихалькогениды переходных металлов, высоко-мпературные металлоокисные соединения), а также искусственные оистые материалы различного типа. Многослойные тонкопленоч-ю сверхпроводящие структуры могут служить основой для многих тивных и пассивных элементов как дискретных, так и входящих в став интегральных схем. Интенсивные работы по созданию таких руктур начались примерно с 1990 года, и в настоящее время техно->гия изготовления слоистых сверхпроводящих структур достигла 1ечатляющих результатов. Получены и исследованы разнообраз-тшпе многослойные структуры и сверхрешетки: сверхпроводник-зрмальный металл, сверхпроводник- диэлектрик, сверхпроводник -элупроводник, сверхпроводник - ферромагнетик.

Успехи технологии привели к неуклонному росту использова-ия сверхпроводящих структур на основе ВТСП материалов в мик-оэлектронике и информационно-вычислительной технике. Низкое оверхностное сопротивление эпитаксиальных пленок высокотемпе-атурных сверхпроводников при температурах ниже температуры верхпроводящего перехода Тс обусловливает перспективность их рименения в СВЧ - технике. В связи с этим большое внимание уде-яется теоретическому и экспериментальному исследованию отраже-:ия и поглощения СВЧ - излучения в слоистых ВТСП структурах, а акже вопросам распространения волн различного типа. Однако «спространение в структурах со сверхпроводящими пленками элек-ромагнитных волн в произвольных направлениях изучено недоста-очно.

Высокотемпературные металлооксидные сверхпроводники >тносятся к типичным сверхпроводникам второго рода. Поэтому мспространение электромагнитной волны в структурах, содержа-цих высокотемпературные сверхпроводники, зависит от состояния ;верхпроводника в магнитном поле (внешнем или магнитном поле шектромагнитной волны). Как известно, основное состояние сверх-

Ттроводникя второго—рода—в_щц£рвале_полейподмагничива1

Bci<B<Bc2 (Bei и Вс2 - нижнее и верхнее к^таческ11ё~пш}Гсверхп водника соответственно) является смешанным (резистивным). Эл тродинамика сверхпроводников второго рода в смешанном сост нии теоретически рассмотрена в работах Горькова и Копнина. I -явяенив-в-сверхпровоттнике магнитных вихрей Абрикосова при пе ходе в смешанное состояние приводит в ря^ггтгучаев-к-сущестоед: му изменению характеристик распространения электромагнита волны в результате ее взаимодействия с вихревой решеткой и к д сипации энергии. Но, как показано в работах Попкова А.Ф. и Г щенко А.Г., если решетка вихрей Абрикосова движется в тонк слое сверхпроводника под действием транспортного тока, взаш действие с электромагнитной волной в структурах ферромагнети сверхпроводник может приводить при выполнении ряда условш усилению волны за счет энергии движущихся вихрей. Однако же кие ограничения на условия усиления не позволяют реализовать кие устройства на практике.

Таким образом, большой интерес представляет исследова! распространения электромагнитных волн в практически не рассм ривавшихся ранее гетероструктурах сверхпроводник- диэлектри] сверхпроводник - полупроводник в случае, когда сверхпровода находится в смешанном состоянии. Практический интерес им также изучение прохождения волновых импульсов через гран* раздела сверхпроводника со средой с нелинейными параметрами.

Цель диссертации заключается в теоретическом исследо: нии распространения электромагнитных волн в ранее не рассмат! ваемых структурах СВЧ диапазона, включающих в себя тонкие сл сверхпроводника второго рода в резистивном состоянии, исследо: нии влияния тонких сверхпроводящих слоев на распространи электромагнитных волн и возможность усиления волн при их в имодействии с вихревой структурой сверхпроводника, а также в можности применения исследуемых структур для создания нов функциональных управляемых СВЧ - устройств.

Научная новизна. 1. Впервые исследовано распространение электромагнитных вол! периодических структурах, содержащих тонкие слои сверхпров* ника второго рода в резистивном состоянии. Получены диспер< онные уравнения для периодических структур сверхпроводни] диэлектрик. Выведены условия, при выполнении которых возмс но усиление электромагнитных волн в слоистых сверхпроводяш структурах за счет взаимодействия с движущейся решеткой вихр в слоях сверхпроводника.

Впервые получено дисперсионное соотношение для периодической структуры сверхпроводник в резистивном состоянии - полупроводник.

. Впервые получены дисперсионные соотношения для структур сверхпроводник - диэлектрик и сверхпроводник - полупроводник с электродинамическими параметрами в области нелинейности динамического смешанного состояния сверхпроводника. . Впервые рассмотрено распространение волн в прямоугольном экранированном металлическом волноводе с тонкими пленками сверхпроводника в резистивном состоянии. Получены дисперсионные уравнения, решениями которых являются комплексные волны. Получены условия, при которых возможно усиление волн Нто и гибридных волн в рассматриваемом волноводе за счет энергии движения вихревой структуры в сверхпроводящей пленке. >. Установлена возможность и условия формирования нелинейных стационарных импульсов в ранее не рассматривавшихся волно-водных структурах с тонкой двухслойной нелинейной пленкой сверхпроводник - диэлектрик с нелинейностью типа Керра. Показана возможность усиления нелинейных импульсов за счет энергии движущихся магнитных вихрей в сверхпроводнике.

Научная и практическая ценность работы. Научная ценность диссертации заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления об условиях распространения электромагнитных волн в структурах с тонкими пленками сверхпроводника в резистивном состоянии.

Практическая ценность заключается в сформулированных в диссертации рекомендациях по новым возможностям использования структур с тонкими сверхпроводящими пленками. Проведенные исследования позволили: определить условия, при которых возможно распространение в исследуемых структурах волн с усилением за счет энергии движущихся магнитных вихрей сверхпроводника, предложить методы управления параметрами электромагнитных волн в структурах со сверхпроводящими слоями, позволяющие создать новые невзаимные приборы СВЧ - диапазона, в частности, высокоизбирательные усилители и фильтры.

На защиту выносятся следующие основные положения..

1. Дисперсионные уравнения для периодических структур сверхпроводник второго рода в резистивном состоянии -диэлектрик, полученные при использовании двухсторонних граничных условий для тонких слоев сверхпроводника. Численный расчет дисперсионных

--харщшгристикдля структур УВагСизСЬ - SгTiOэ и УВазСизО?

МеО. Дисперсиошше~уфавнения--да

сверхпроводник второго рода в резистивном состоянии - полупро водник. Дисперсионные уравнения для периодических структур сс сверхпроводящими слоями в области нелинейности динамическо го смешанного состояния сверхпроводника. Критерии усиленш электротагнитаы%-воян-а-_птж>дических структурах со слоями сверхпроводников. --

2. Расчет коэффициентов отражения и прохождения для слоисты? структур с тонкими слоями сверхпроводника второго рода в резистивном состоянии. Критерии усиления электромагнитной волны при отражении и прохождении через конечные слоистые структуры. Численный расчет коэффициентов отражения от многослойных структур, включающих в себя высокотемпературную сверхпроводящую керамику УВагСизСЬ.

3. Дисперсионные уравнения для слоистых экранированных прямоугольных волноводов с тонкими сверхпроводящими пленками в резистивном состоянии, результатом решения которых являются комплексные волны. Условия усиления волн Нто и НЕтп в рассматриваемом волноводе за счет энергии движения вихревой структуры в сверхпроводящей пленке. Классификация гибридных волн.

4. Расчет параметров импульсов в волноводных структурах с тонкой двухслойной нелинейной пленкой сверхпроводник - диэлектрик типа Керра. Приближенные аналитические решения с учетом нелинейности высших порядков. Критерии усиления нелинейных импульсов в результате взаимодействия с вихревой структурой в сверхпроводнике.

Обнаружены и исследованы новые физические эффекты, связанные со взаимодействием электромагнитных волн с движущейся вихревой структурой в сверхпроводящих слоях: невзаимные свойства структур со сверхпроводящими пленками в резистивном состоянии; возможность распространения в структурах со сверхпроводящими пленками в резистивном состоянии электромагнитных волн без потерь; резкое влияние величины внешнего магнитного поля и плотности транспортного тока на дисперсионные свойства структур с тонкими слоями сверхпроводника второго рода в резистивном состоянии; возможность распространения в прямоугольном экранированном волноводе комплексных волн Нто и НЕтп, не имеющих отсечки; условия усиления электромагнитных волн в структурах с сверхпроводящими пленками в резистивном состоянии за счет энергии движущейся вихревой структуры.

Обоснованность и достоверность полученных результатов Зеспечиваегся адекватностью применяемых математических моде-;й изучаемым физическим процессам.

Апробация работы. Результаты работы вошли в НИР Разработка новых методов измерения электромагнитных излучений г СВЧ до оптического диапазона" (тема 14/96, шифр "Аспект -1ИИРС", 1995 -1997 гг.). Основные результаты работы опубликова-ы в статьях, докладывались: на международном семинаре Дифференциальные уравнения и их приложения" (Самара, 1996); на еждународном семинаре "Нелинейное моделирование и управле-ие" (Самара, 1997); на IX Международной школе - семинаре Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" (Самара, 1997); на рос-ийской конференции "Микроволновая электроника больших мощ-;остей: измерения, идентификация, применение" (Новосибирск, 997); на V международной конференции "ОИС САПР и техника ЗВЧ и КВЧ" (Москва, 1995), на конференциях профессорско-греподавательского и инженерно-технического состава ПИИРС 1996-1997 гг.), на международном симпозиуме "Electromagnetic Compatibility ЕМС'98 ROMA" (Italy, Rome, 1998).

Публикации. Основные положения и результаты диссертаци->нной работы отражены в 14 работах, в том числе в 3 статьях, в трупах международного симпозиума в Риме и российской конференции, > тезисах докладов на международных семинарах и российских конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Она содержит 111 страниц текста, 53 страницы рисунков, список литературы из 117 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий обзор современного состояния вопроса, обоснована актуальность темы, определена цель исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации изучаются электродинамические свойства слоистых сред, состоящих из периодически повторяющихся слоев различных материалов, а именно сверхрешеток высокотемпературный сверхпроводник - диэлектрик. Рассматриваются тонкие слои сверхпроводника с толщиной намного меньше X - лондонов-ской глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник, к которым можно применить метод двухсторонних граничных условий. Данный метод позволяет ограничиться рассмотрением поведе-

-ния-злекгромагнитного поля в области пространства, внешней отношению к рассм!Гтриваеш}му_т0нкому"^лоюга-влия11ие-ЛЛШ1_ характер волнового процесса учитывать с помощью граничн] условий на его поверхности.

Во внешнем магнитном поле, направленном перпендикуш но границам раздела слоев, сверхпроводник второго рода переход 1} смешанное; состояние;—которое—характеризуется появленн несверхпроводящей фазы в виде решетки вихрей Абрикосова, орие тированных по внешнему магнитному полю. Под действием тра спортного тока с плотностью протекающего по слоям сверхпр водника, решетка вихрей Абрикосова приходит в движение перпе дикулярно току (рис. 1).

С использованием матриц перехода в первой главе получе! дисперсионное уравнение для комплексного блоховского волново! числа к, которое является усредненным по периоду структуры пол речным волновым числом:

Га . л

у 2Ву0Ф0со5в

( \ _ V

1 + —ятв

V*

1 пфп

где V = ——- - скорость движения решетки вихрей Абрикосова, V«}

фазовая скорость распространения электромагнитной волны в ди лектрике, - плотность транспортного тока в сверхпроводнике, 1 коэффициент вязкости магнитного вихря, I - толщина сверхпров< дящего слоя, - толщина диэлектрического слоя. Верхний знак "-" (^соответствует положительной проекции \ф на ось Ох, нижний зна "+" - отрицательной. Показано, что мнимой частью блоховског волнового числа

к" = -агШ с!

V а,

(1?-БШЭ)

С

2Ву0Ф0 соэб \ф гв кМ

можно эффективно управлять, изменяя значение плотности тра; спортного тока в сверхпроводнике. Одной из характерных особеннс стей периодических структур является то, что фазовая скорость дл 11-ой гармоники может быть малой. Поэтому в рассматриваемой ш риодической структуре возможно распространение электромагнит ной волны как с отрицательной, так и с положительной мнимо частью к", что соответствует случаю усиления волны за счет энер гии движущейся решетки вихрей Абрикосова.

х / 1 0 1 СП 2 СП 3

* ь - Ву0 У

Рис. 1. Геометрия задачи. Электромагнитная волна падает на периодическую структуру под углом 9. Слои 1, 2, 3 - диэлектрик, слои СП- сверхпроводник.

№1

Рис. 2. Зависимость модуля коэффициента отражения И. от угла падения 9 для структуры: тонкая пленка УВагСизСЬ / слой Г^О толщиной 6=0,5 мкм / подложка БгТЮз. Магнитное поле Вуо=5 Тл, ¿20= 109 А/м2. Приведены графики для случая различной толщины сверхпроводящей пленки I.

-Б_даШ1ШЛ]лав£также приведены результаты расчета коэффи-

циентов отражения элект{гаш1гГштны^^

структур с тонкими сверхпроводящими слоями, а также условие усиления водны при отражении. Результаты расчета коэффициентов отражения R от структур, состоящих из слоев высокотемпературной сверхпроводящей керамики УВагСшСЬ и диэлектриков MgO и SrTn И ппкя^ьгияттгг-рр1ууи>-^япиги1ипггг(, R 07- ттпятичы сверхпроводящей пленки t, угла падения, частоты волны и величины внешнего магнитного поля. При этом абсолютные значения коэффициента отражения R могут достигать нескольких десятков единиц (рис.2). Большие значения коэффициента отражения электромагнитной волны при отражении от слоистой структуры сверхпроводник - диэлектрик за счет взаимодействия с вихревой структурой дают возможность создать на основе рассмотренных структур управляемые магнитным полем устройства усиления в широком диапазоне частот.

Во второй главе диссертации рассмотрено распространение электромагнитной волны в сверхрешетках сверхпроводник - полупроводник. Для описания плазмы полупроводника используется гидродинамическая модель. Полученное дисперсионное уравнение для блоховского волнового числа к имеет такой же вид (1), как и для структуры сверхпроводник - диэлектрик, поэтому в структурах сверхпроводник - полупроводник также возможно усиление электромагнитных волн. Отличие заключается в том, что в полупроводниковых слоях нельзя выделить независимые ТЕ- и ТМ- волны. Здесь могут распространяться две эллиптически - поляризованные волны, обладающие частотной дисперсией. Эта дисперсия приводит к существенным особенностям распространения обыкновенной и необыкновенной волны в периодических структурах сверхпроводник - полупроводник, в результате которых появляются дополнительные частоты, при которых мнимая часть блоховского волнового числа

к" меняет знак. Они соответствуют решениям уравнений

2 2 2 2 2 Ц "С п'с'п* ...

еэфф=—5-5-г~ и Еэфф =—2-7-г, 11=0,1,2... , (4)

<J>02jz0 sin20 w d 2 cos2 Go2

где e эфф = e эфф(ю) - эффективная диэлектрическая проницаемость полупроводника. Следовательно, в структурах сверхпроводник - полупроводник возникают добавочные полосы усиления и задержки, положением которых можно управлять, изменяя значение плотности транспортного тока jzo в сверхпроводнике или значение циклотронной частоты носителей заряда в полупроводнике посредством изменения величины внешнего магнитного поля. Следует также отме-

тить, что равенство фазовой скорости волны и скорости движения вихревой решетки возможно не только в бесконечных периодических структурах сверхпроводник - полупроводник, но и в ограниченных структурах с тонким слоем сверхпроводника.

В третьей главе диссертации рассмотрены прямоугольные экранированные волноводы с пленками сверхпроводника второго рода, находящегося в резисгивном состоянии. При получении дисперсионных уравнений использован метод двухсторонних граничных условий. Получены дисперсионные уравнения для волн Нто и гибридных воли, распространяющихся в однородном волноводе, перегороженном сверхпроводящей пленкой (рис. 3), а также дисперсионные уравнения для гибридных волн трехслойного волновода со сверхпроводящей пленкой.

Дисперсионное уравнение для волн Нто однородного симметричного волновода со сверхпроводящей пленкой имеет вид

——-~(о> ± --Р) 1ёха=21% (5)

Вх0фо Л

где х - поперечное волновое число по оси х, связанное с продольным комплексным волновым числом р=р'+1р" соотношением

%г +(—-)2 + Р2 =со2Б0ц0е. Верхний знак соответствует прямой волЬ

не, нижний - обратной.

Особенностью симметричного волновода со сверхпроводящей пленкой является то, что в нем могут распространяться только волны Нто с четными ш, где ш- номер решения уравнения (5). Волны Нто не имеют частоты отсечки и при определенных значениях параметров обладают немонотонным характером (рис. 4). В точках, соответствующих критическим частотам волн идеального волновода, значение коэффициента затухания Р" резко уменьшается, а значение фазовой постоянной (У, напротив, резко возрастает. На высоких частотах при ю-> со, как и в обычном волноводе, нормированная фазовая постоянная р'=р'/к0 (к0=мл/еое Ной) стремится к единице,

Р"-»0. С ростом номера ш значения фазовых постоянных уменьшаются, а коэффициенты затухания увеличиваются. Все волны с нечетными ш ведут себя так же, как в обычном идеальном волноводе.

Частотная зависимость коэффициента затухания показывает возможность использования рассматриваемого волновода в качестве СВЧ- аттенюатора. С ростом частоты коэффициент затухания сначала увеличивается, а затем при ю-»оо спадает до нуля (рис. 4). При

Рис. 3. Поперечное сечение прямоугольного волновода со сверхпроводящей пленкой в плоскости гОу.

Рис. 4. Фазовые постоянные и коэффициенты затухания прямой волны Н20 прямоугольного волновода с симметрично расположенной сверхпроводящей пленкой YBa2Cuз07 для разных значений величины внешнего магнитного поля. Кривая 1: Вхо=ЮТл, кривая 2: В*о=1 Тл, кривая 3: В*о=0.2 Тл.

больших значениях постоянного магнитного поля Во при частотах, превышающих значения критической частоты для идеального волновода, коэффициенты затухания имеют монотонную частотную зависимость, что очень важно при создании широкодиапазонных СВЧ- устройств.

При выполнении условия у>уф решение дисперсионного уравнения (5) для прямой волны качественно не отличается от случая у<<уф. Для обратной волны, начиная с некоторой частоты, коэффициент затухания становится положительным, что соответствует усилению электромагнитной волны в рассматриваемом волноводе; причем при определенных параметрах коэффициент затухания остается практически постоянным в очень широком диапазоне частот.

Сравнение дисперсионных характеристик гибридных волн НЕтп и ЕНтл однородно заполненного волновода со сверхпроводящей пленкой обнаруживает общность их поведения с характеристиками волны Нто. Так же, как и волны Нто, гибридные волны не имеют частоты отсечки и обладают немонотонным характером. Численный анализ показывает, что фазовая постоянная Р' волны Шо больше, чем у волны НЕи, а коэффициент затухания Р" волны Нго меньше, чем у волны НЕи. Дисперсионные характеристики для волн ЕНшп аналогичны характеристикам волн НЕтп. Исследование структуры полей гибридных волн и сравнительная оценка величин их отдельных компонент показали, что усиление взаимодействия с вихревой структурой при увеличении транспортного тока и внешнего магнитного поля приводит к преобразованию ВОЛН ЕНшп в ВОЛНЫ НЕтп.

В четвертой главе диссертации изучается распространение электромагнитных волн в сверхрешетках со слоями сверхпроводника с электродинамическими параметрами в области нелинейности динамического смешанного состояния. В предыдущих главах шла речь о взаимодействии электромагнитной волны с вихревой структурой тонкопленочных сверхпроводников в рамках безынерционного линейного приближения теории вязкого движения вихрей под действием транспортного тока, которое справедливо в небольшой области значений токов выше критического. Рассмотренный подход позволил описать процесс распространения электромагнитных волн в средах с тонкими сверхпроводящими пленками и показал возможность усиления волн в таких средах. Однако, при увеличении транспортного тока обнаруживаются нелинейные свойства сверхпроводника, проявляющиеся, в частности, в виде нелинейности его вольт -амперной характеристики, объяснение которым дано в теории Лар-

кина и Овчинникова. Показано, что в области справедливости дей--ствия-_Т£0 р1шЛа^жи на-Ов ч и н н и ко в а электромагнитная волна в периодической структу^ё^вертгф^^

затухание и большее усиление, чем в области применимости безынерционного приближения. Установлено, что в области нелинейности динамического смешанного состояния мнимая часть бло-ховского волнового числа к" меняет знак при двух значениях ПЛОТ-Нпг-ги 'гряргппр^ыпгуг~тгткт1—р] и—Ркг'рТтроВРДЯЩИХ СЛОЯХ. ПРИ

этом ¿г! зависит только от параметров сверхпроводника, а - от параметров и сверхпроводника и диэлектрика. Таким образом, в области нелинейности динамического смешанного состояния затуханием и усилением волны в периодической структуре сверхпроводник -диэлектрик можно эффективно управлять, меняя значение плотности транспортного тока в сверхпроводнике. Это существенно расширяет возможности практического применения тонкопленочных сверхпроводящих структур в резистивном состоянии.

В четвертой главе рассматривается распространение импульсов в волноводных структурах с тонкой пленкой сверхпроводника на примере прямоугольного волновода с кусочно - неоднородным заполнением полости структуры диэлектриками, разделенными слоистой структурой, состоящей из тонкой пленки сверхпроводника второго рода в смешанном состоянии и тонкой пленки диэлектрика с нелинейностью типа Керра. Вектор поляризации диэлектрика типа Керра определяется соотношением:

Р = а,Е + а3|Е|2Е + а5|Е(4Е + ... (6)

Обнаружено, что рассматриваемые волноводные структуры обладают невзаимными свойствами для волн, распространяющихся в прямом и обратном направлениях. Показана возможность формирования в данных структурах нелинейных солитоноподобных импульсов. Установлено, что длительность импульсов и скорость их распространения зависят от дисперсионных характеристик структуры, типа и коэффициента нелинейности диэлектрического слоя и от амплитуды импульсов. Вьмвлено, что в зависимости от толщины сверхпроводящей пленки и величины внешнего магнитного поля импульс может менять свое направление распространения на противоположное. Показана возможность уменьшения затухания и усиления импульсов за счет энергии движения вихревой структуры сверхпроводника. Таким образом, комбинация нелинейной и сверхпроводящей пленок позволяет формировать нелинейные солитоно-подобные импульсы, параметрами которых можно управлять, изме-

; дисперсионные характеристики структуры, а также меняя вели-!у подмагничивающего поля.

Основные результаты настоящей работы:

1) Получено дисперсионное уравнение для электромагнитных ж, распространяющихся в периодической структуре, состоящей из )ев диэлектрика и тонких слоев сверхпроводника второго рода в (истивном состоянии в перпендикулярном подмагничивающем пе. Установлено, что рассматриваемые структуры обладают не-1имными свойствами при распространении волн в противополож-¡х направлениях вследствие взаимодействия с движущейся решет-й магнитных вихрей в слоях сверхпроводника. Показано, что вязе течение магнитных вихрей в сверхпроводящих слоях приводит к ссипации энергии и затуханию волны. Найдено, что наряду с зату-нием возможно усиление электромагнитной волны в бесконечных риодических сверхпроводящих структурах за счет энергии вихрей структуры. Получены критерии усиления.

2) Рассчитаны коэффициенты отражения от конечных струк-р, которые содержат тонкие сверхпроводящие пленки в резис-[вном состоянии. Установлены критерии, при выполнении которых »зможно усиление электромагнитной волны при отражении и про->ждении через конечные слоистые сверхпроводящие структуры за [ет энергии движущейся решетки магнитных вихрей. Установлена >зможность резкого роста коэффициента отражения в десятки раз в тисимости толщины сверхпроводящей пленки, угла падения и ветчины постоянного магнитного поля. Показана возможность эф-ективного управления величиной коэффициента отражения рас-датриваемых структур путем изменения внешних параметров.

3) Получено дисперсионное уравнение для электромагнитных злн, распространяющихся в периодической структуре, состоящей из тоев полупроводника и тонких слоев сверхпроводника второго ро-а в резистнвном состоянии. Показано, что вследствие частотной за-исимости эффективной диэлектрической проницаемости полупро-одниковых слоев по сравнению со структурой сверхпроводник -иэлектрнк появляются дополнительные частоты, при которых зату-ание волны в периодической структуре становится равным нулю, то приводит к появлению новых полос затухания и усиления, по-ожением которых можно управлять, меняя плотность транспортно-о тока в сверхпроводнике или значение циклотронной частоты но-ителей заряда в полупроводнике посредством изменения величины нешнего магнитного поля.

4) Рассмотрено распространение электромагнитных волн экрашрованных прямоугольных слоистых волноводах с тонко сверхпроводящёи^ТШшк^^

что в таких волноводах возможно р a cr ipo странен иекошш ексны волн. Получены дисперсионные уравнения для волн Нто, распрс страняющихся в однородном волноводе, перегороженном сверхпрс водящей пленкой. Показано, что распространение волн в данно] вож!оЩ1^~имеетн^евзаш^ньш_характер. Установлено, что волны Нп с четными значениями ш не имеют критичёйсих-чаетоту-а-ашшы. нечетными m не взаимодействуют с сверхпроводящей пленкой : имеют критические частоты. Установлено, что коэффициент затуха ния для волн Нто с четными m резко уменьшается, начиная с чаете ты, соответствующей критической частоте идеального волновода, ; стремится к нулю при дальнейшем росте частоты. Показано, что кс эффициент затухания значительно уменьшается при увеличени; внешнего магнитного поля. Показана возможность усиления волн рассматриваемых волноводах при скоростях движения вихрево] структуры, превышающих фазовую скорость волны, что соотвез ствует большим значениям транспортного тока в сверхпроводяще] пленке.

5) Получены дисперсионные уравнения для гибридных воли распространяющихся в прямоугольном экранированном волноводе перегороженном сверхпроводящей пленкой в резистивном состоя нии и для гибридных волн, распространяющихся в трехслойном эк ранированном прямоугольном волноводе со сверхпроводяще] пленкой. Проведена классификация гибридных волн на основе чис ленного анализа. Показано, что дисперсионные характеристик) гибридных волн НЕшп аналогичны характеристикам волн Ншс Установлено, что в результате взаимодействия с вихревой сгрукту рой в сверхпроводящей пленке при увеличении магнитного поля i транспортного тока возможно преобразование гибридных вол1 EHmn в волны НЕшп-

6) Получено дисперсионное уравнение для электромагнитны; волн, распространяющихся в периодической структуре диэлектрик сверхпроводник второго рода в области нелинейности динамическо го смешанного состояния сверхпроводника. Показано, что в рамка; справедливости теории Ларкина - Овчинникова электромагнитны волны имеют большее затухание и большее усиление в соответ ствующих областях, чем в рамках применимости безынерционной линейного приближения, рассмотренного в главе 1. Продемонстри ровано, что в области нелинейности динамического смешанного со стояния можно изменять знак коэффициента затухания электромаг

итной волны к", меняя значение плотности транспортного тока в верхпроводнике, управляя таким образом затуханием и усилением лектромагнитной волны в периодической структуре.

7) Установлена возможность формирования в волноводных труктурах с тонкой пленкой сверхпроводник - диэлектрик типа Серра нелинейных стационарных импульсов, параметры которых ависят от дисперсионных характеристик волноводной структуры, типа и коэффициента нелинейности, а также от амплитуды импуль-;ов Е5. Проведен аналитический расчет параметров импульсов, распространяющихся в прямоугольном экранированном волноводе с нелинейной двойной тонкой пленкой сверхпроводник - диэлектрик гипа Керра. Обнаружено, что в зависимости от толщины сверхпроводящей пленки и величины постоянного магнитного поля импульс может менять свое направление распространения на противоположное. При этом в зависимости от величины параметров нелинейной пленки, величины магнитного поля и транспортного тока продолжительность нелинейного импульса может достигать порядка 10-'2 с, а скорость его распространения порядка 108 м/с и более.

Выявлено, что в зависимости от параметра управления, которым является амплитуда импульса, в рассматриваемом волноводе с нелинейной пленкой сверхпроводник - диэлектрик типа Керра могут существовать решения как с отрицательным, так и с положительным значением мнимой части продольного волнового числа Р", что соответствует передаче распространяющемуся нелинейному импульсу энергии движущейся вихревой структуры. При этом положение границы раздела между областями затухания и усиления зависит только от параметров нелинейной диэлектрической пленки. Таким образом показано, что комбинация нелинейной диэлектрической пленки со сверхпроводящей пленкой формирует нелинейный импульс, который может распространяться без затухания или с усилением за счет энергии движущихся магнитных вихрей.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ

РАБОТЫ:

1. Глущенко А.Г., Головкина М.В. Отражение электромагнитной волны слоистой структурой сверхпроводник - диэлектрик. // Письма в ЖТФ. -1998. - Т. 24. -Вып. 1. - С. 9-12.

2. Глущенко А.Г., Головкина М.В. Пропускание электромагнитных волн сверехрешетками сверхпроводник - полупроводник. // Труды ИИЭР - Российской конф. "1997 микроволновая электроника

больших мощностей: измерения, идентификация, применение".

-Новоеибирск^^997^С1Ш0-103.

3. Глущенко А.Г., Головкина^ОЗгПрахождение-эдехщ

волн через слоистые структуры сверхпроводник - полупроводни // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. -1997. -Т. 5. - Вы 2(18). -Тез. докл. и сообщ. IX Международной школы-семинара

4. Глущенко" АЛТГТоловкина-МЛ^^^щшейш^^эффекты при вз имодействии электромагнитной волны со сверЗШрстводящиь сверхрешетками. // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. 1997. -Т. 5. - Вып. 2(18). -Тез. докл. и сообщ. IX Международно школы-семинара. - С. 250-251.

5. Глущенко А.Г., Головкина М.В. Распространение импульсов волноводной структуре с пленкой сверхпроводника в смешанно состоянии. //Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. -1997. -' 5. - Вып. 2(18). -Тез. докл. и сообщ. IX Международной школе семинара. - С. 252-253.

6. Головкина М.В., Глущенко А.Г., Сапова Е.В. Физические свойсп

периодических волноведущих структур с краевыми условиям специального типа. // Тез. докл. международного семинар "Дифференциальные уравнения и их приложения". - Самар СамГУ,- 1996.-Ч. 2.-С.16.

7. Глущенко А.Г., Головкина М.В. Эволюционное уравнение для н линейных импульсов в волноводной структуре с сверхпровод щей пленкой. // Тез. докл. международного семинар "Нелинейное моделирование и управление". -Самара. -1997. - ( 36.

8. Головкина М.В. Нелинейные эффекты при взаимодействии эле! тромагнитной волны со сверхпроводящими сверхрешетками. Тез. докл. международного семинара "Нелинейное моделиров; ние и управление". -Самара. -1997. - С. 38.

9. Головкина М.В. Некоторые особенности прохождения электр< магнитных волн через периодическую структуру сверхпроводш - диэлектрик. // Информатика, радиотехника, связь. Сб. науч] трудов молодых ученых ПИИРС. -Самара, АТИ. -1996. - С. 2! 30.

10. Головкина М.В. Электродинамические свойства сверхрешетс сверхпроводник - диэлектрик. // Информатика, радиотехник; связь. Сб. научн. трудов молодых ученых ПИИРС. -Самар; АТИ. -1997. -Вып. 2. - С. 33-38.

11. Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические свойства и пар; метры матриц рассеяния периодических структур ВТСП - диэли

трик. // Тез. докл. "Росс, научно-тех. конф. профессор.-препод. и инж.-тех. состава". -Самара. -1996. - С. 91-92.

12. Глущенко А,Г., Головкина М.В. Электродинамические параметры периодических структур. // Тез. докл. "Росс, научно-тех. конф. профессор.-препод. и инж.-тех. состава". -Самара. -1997. -С. 99-100.

13. Головкина М,В. Особенности отражения электромагнитных волн от поверхности ВТСП. // Тез. докл. "Росс, научно-тех. конф. профессор.-препод. и инж.-тех. состава". -Самара. -1997. - С. 100-101.

14. Glushchenko A.G., Golovkina M.V. Electromagnetic wave propagation in superconductor - dielectric multilayers. // Symposium Proceedings "EMC'98 ROMA". - Rome. - Italy. -1998. (is accepted).

Корректор Вяткина С.С. Формат 60x84 1/16 Печатных листов Цена договорная. Тираж /Оо экз. Ротапринт ПГАТИ, ул. Л. Толстого, 23.