Разработка прикладного программного обеспечения для тестирования экспериментальных структур сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (SIS-переходов)

Актуальность

Данный проект реализуется в области прикладной сверхпроводимости. В настоящее время сверхпроводники, особенно высокотемпературные (ВТСП), находят все более широкое применение в энергетике, науке и медицине. Особое место занимают устройства джозефсоновской электроники.

Термин «эффект Джозефсона» относится к совокупности явлений, имеющих место в контактах двух сверхпроводников через слабую связь, в частности в качестве слабой связи может выступать диэлектрик. В таком случае говорят об образовании перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник, или так называемого SIS-перехода, т.е. перехода Джозефсона.

Разрабатываемое программное обеспечение позволит упростить первичное тестирование экспериментальных образцов, содержащих переходы Джозефсона, на пригодность к дальнейшему изучению и созданию на их основе устройств джозефсоновской электроники.

Заказчиком проекта является лаборатория тонкопленочной оксидной электроники ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, выполняющая работу по проекту РФФИ 19-07-00274 «Многослойные гибридные сверхпроводниковые гетероструктуры с магнитными барьерными прослойками».

Цель работы: разработать программное обеспечение для автоматизации тестирования экспериментальных SIS-переходов Nb–Sr₂IrO₄–YBa₂Cu₃O₇ на наличие проколов в прослойке изолятора.

Содержание работы

В лаборатории тонкопленочной оксидной электроники ИРЭ им. В. А. Котельникова была разработана и применяется технология роста тонких пленок, на основе которых затем создаются переходы Джозефсона. Экспериментальные SIS-переходы могут иметь проколы в слое изолятора. И это делает их непригодными для дальнейшего исследования и применения. Такие образцы следует отбраковывать. Так как в лаборатории нет программного обеспечения (ПО), которое позволяет автоматизировать процесс отбраковки, ручная отбраковка отнимает очень много времени. Приобретение подобного ПО на коммерческой основе лаборатории невыгодно. Поэтому перед авторами была поставлена цель: разработать программное обеспечение для автоматизации тестирования экспериментальных SIS-переходов Nb–Sr₂IrO₄–YBa₂Cu₃O₇ на наличие проколов в прослойке изолятора.

Для достижения этой цели авторы получали серии вольт-амперных характеристик (ВАХ) тестируемых образцов при различных значениях напряженности магнитного поля и затем вручную строили зависимость критического сверхпроводящего тока от напряженности магнитного поля. Если полученная зависимость соответствовала эталонной, образец признавался годным.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы:

- малошумящий блок задания тока и снятия напряжения, изготовленный фирмой «НПО Криотон»;

- синхронный усилитель Lock-In Amplifier 5301A;

- температурный контроллер;

- Neocera LTC-21 + датчики температуры;

- платы National Instruments ЦАП/АЦП PCI-6221 и преобразователь интерфейса PGI-GPIB;

- источник тока Keithley 2440;

- прокалиброванные магнитные соленоиды;

- сосуд Дьюара;

- Deep Stick – «макалка»;

- микроскоп;

- персональный компьютер.

Выводы

Код программы написан на языке Python. На вход программе поступают *.dat-файлы, содержащие экспериментальные данные ВАХ при различных значениях напряженности магнитного поля. Точное определение значения критического тока усложняется тем, что переход не резкий. Поэтому мы подобрали критерий, позволяющий фиксировать из графика максимальное значение сверхпроводящего тока, – коэффициент наклона касательной к кривой зависимости силы тока от напряжения.

Работа программы была проверена на протестированной ранее вручную серии образцов. Графики, построенные программой, показали хорошее совпадение с графиками, полученными вручную.

Таким образом, разработанное ПО может применяться для тестирования новых серий образцов с различными видами прослойки.

Награды/достижения

Городской этап Московского городского конкурса исследовательских и проектных работ обучающихся в 2018/2019 учебном году (научно-технологическое направление) – победитель.

Перспективы дальнейшего использования (развития) работы

Программа используется в лаборатории, и в настоящее время разрабатывается удобный программный интерфейс. Кроме того, шумы используемого оборудования могут оказывать влияние на измеряемые параметры в силу их малой величины. Такие точки надо отбраковывать. Работа над программой идёт и в этом направлении.