Теперь исследователи из Итальянского национального исследовательского совета (SPIN-CNR) и Национального предприятия нанонауки и нанотехнологий (NEST-CNR) в Италии разработали новый и недорогой способ преобразования низкочастотных сигналов в более высокие частоты. В этом подходе используется устройство, получившее Нобелевскую премию, называемое переходом Джозефсона, которое в настоящее время используется для создания чрезвычайно чувствительных вольтметров и обнаружения мельчайших изменений магнитных полей. Исследователи описывают свое новое приложение в Journal of Applied Physics от AIP Publishing.
Джозефсоновские переходы состоят из тонкого слоя изолятора, зажатого между двумя сверхпроводящими слоями. При правильных условиях электроны могут перемещаться от одного сверхпроводящего слоя к другому без сопротивления через изолятор в середине. Однако когда ток достигает критического уровня, внезапно появляется конечное сопротивление и на устройстве возникает напряжение.
Паоло Солинас, физик из Итальянского национального исследовательского совета, экспериментировал с контактами Джозефсона со своими коллегами из NEST-CNR, когда они заметили необычное поведение.
Они обнаружили, что джозефсоновские переходы, помещенные в осциллирующее магнитное поле, создают импульсы напряжения. Исследователи обратились к теории, чтобы проанализировать и объяснить поведение.
Они обнаружили, что осциллирующее магнитное поле вызывает внезапный скачок квантово-механических свойств сверхпроводниковых слоев, которые называются фазовыми. Скачок фазы, в свою очередь, приводил к возникновению импульса напряжения.
Исследователи также обнаружили, что постоянное зависящее от времени магнитное поле будет производить импульсы напряжения, содержащие сотни гармоник исходной частоты возбуждения, в том числе частоты, в тысячи раз превышающие их.
«Выходная мощность одного устройства небольшая, но вы можете создать массив устройств, чтобы превратить низкую мощность, присущую одиночному переходу, в более высокую выходную мощность», – сказал Солинас.
Команда подсчитала, что соединение 1000 джозефсоновских переходов из ниобия и оксида алюминия может преобразовать входную частоту 100 МГц в сигнал 100 пиковатт на частоте 50 ГГц.
Исследователи также обнаружили, что изменение формы перехода Джозефсона изменяет количество мощности на разных выходных частотах.
Они обнаружили, что кольцевой переход производит больше энергии на высших гармониках, чем круглый или прямоугольный переход.
По словам Солинаса, преобразователь частоты, сделанный из переходов Джозефсона, будет совершенно другим типом генератора сигналов, чем тот, который используется в настоящее время. Большинство генераторов сигналов гигагерцового диапазона громоздкие и дорогие. Электронные схемы, сделанные из переходов Джозефсона, могли иметь длину всего миллиметры и легко встраивались в электронные микросхемы.
«Пока у нас есть теоретические результаты, но мы действительно с нетерпением ждем совпадения с экспериментом», – сказал Солинас. Команда надеется, что их первоначальное открытие заинтересует других в создании устройств. По словам Солинаса, сначала эта технология, вероятно, будет использоваться в лаборатории для калибровки измерений и проведения экспериментов.
При дальнейшем развитии он также может быть использован в телекоммуникационной отрасли.