約瑟夫森結陣列的相位鎖定和時空混沌特性研究

《約瑟夫森結陣列的相位鎖定和時空混沌特性研究》是依託南開大學，由張旭擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：約瑟夫森結陣列的相位鎖定和時空混沌特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張旭
• 依託單位：南開大學

中文摘要

約瑟夫森結具有重要的研究價值和十分廣泛的套用領域，它不但具有極高的工作頻率，而且具有高度的非線性。目前，對約瑟夫森結陣列特性和套用的研究受到了廣泛關注，項目將採用理論分析、數值仿真和實驗相結合的方法，研究約瑟夫森結陣列的相位鎖定和時空混沌行為。相位鎖定特性是利用約瑟夫森結陣列製備毫米波源的核心問題，而混沌行為是目前非線性科學中的熱點，兩者同時存在於約瑟夫森結陣列之中。本項目將研究並聯負載電阻和嵌入毫米波諧振腔兩種不同情況下約瑟夫森結陣列相位鎖定規律，提出新的毫米波電磁場耦合情況下的結陣列動力學方程，在實驗上觀察到明顯的相干毫米波輻射；混沌行為方面將研究本徵約瑟夫森結陣列中的時空混沌行為，給出存在混沌行為的參數範圍，並提出實際上可行的混沌行為控制方法，並對混沌行為在保密通信中的套用開展探索性研究。

結題摘要

作為超導電子技術的基礎，約瑟夫森結具有一系列優異的性能，如：靈敏度高，噪聲低，功耗小，回響速度快，工作頻率極高等。因此約瑟夫森結及結型器件具有重要的研究和套用價值。目前，利用低溫或者高溫超導約瑟夫森結可以實現混頻、太赫茲信號產生及檢測、高精度電壓標準和超高速數字電路等。本項目通過理論分析、數值仿真和實驗的方法對約瑟夫森結陣列的相位鎖定和混沌行為及其套用進行了較為系統的研究，同時探索高溫超導本徵約瑟夫森結的輻照和輻射特性。項目主要內容和研究結果如下： 建立了約瑟夫森結在電路仿真軟體PSpice中的電阻－電容並聯模型（RCSL），對電阻並聯約瑟夫森結陣列的混沌行為進行了研究，在沒有對動力學方程進行近似處理的條件下，發現當存在3個約瑟夫森結時同樣會出現明顯的混沌行為。採用負載並聯的方法研究了串聯約瑟夫森結陣列的相位鎖定和毫米波輻射特性。將串聯雙晶約瑟夫森結陣列嵌入法布里-帕羅特諧振腔，成功實現結陣列的相位鎖定。在74 GHz頻率附近和液氮溫度下，成功觀測到了源自536個結陣列的毫米波輻射，並且研究了直流偏置電壓與自輻射頻率關係。 研究了電容耦合的本徵約瑟夫森結陣列的時空混沌行為，並給出了時空行為發展圖以及存在混沌的參數空間。在傾斜角度20度的斜切鋁酸鑭基片上外延生長了鉈系超導薄膜，用該薄膜製作了高溫超導本徵約瑟夫森結陣列。利用介質諧振天線，首次在液氮溫區從薄膜本徵結陣列中實現了頻譜較窄的毫米波輻射。提出適契約瑟夫森結及陣列的混沌同步方法，在實現混沌行為同步的基礎上，採用混沌調製方式，設計並驗證了適契約瑟夫森結混沌行為的保密通信模型。