ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2026. №5

УДК: 538.945; 537.86

БИСТАБИЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ В МЕТАМАТЕРИАЛЕ ИЗ ВЧ-СКВИДов

А.С. Аверкин¹, Л.В. Филиппенко², М.В. Фистуль¹

¹Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»,
119049, г. Москва, Ленинский просп., 4

²ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН,
125009, г. Москва, ул. Моховая, 11-7

Статья поступила в редакцию 6 апреля 2026 г.

Аннотация. Экспериментально исследован нелинейный отклик одномерного сверхпроводящего метаматериала, изготовленного на основе 54 безгистерезисных высокочастотных сверхпроводящих квантовых интерферометров (ВЧ-СКВИДов). Проведены измерения зависимостей резонансной частоты системы от мощности тона накачки в двух-тоновом режиме возбуждения как в отсутствие, так и при приложении внешнего постоянного магнитного поля. Метаматериал демонстрирует бистабильное поведение в широком диапазоне мощностей накачки, что указывает на возможность его применения в устройствах квантовой электроники и сверхпроводящих параметрических усилителях.

Ключевые слова: сверхпроводимость, ВЧ-СКВИД, контакт Джозефсона, СВЧ измерения, двух-тоновая микроволновая спектроскопия.

Финансирование: Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Программы стратегического академического лидерства “Приоритет-2030” (Стратегический технологический проект НИТУ МИСИС «Квантовый интернет»). Экспериментальные образцы были изготовлены в рамках Госзадания ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.

Автор для переписки: Аверкин Александр Сергеевич, averkin.as@misis.ru

Литература

1. B. Josephson, “Possible new effects in superconductive tunnelling,” Physics Letters, vol. 1, no. 7, pp. 251–253, 1962. https://doi.org/10.1016/0031-9163(62)91369-0

2. P. W. Anderson and J. M. Rowell, “Probable observation of the Josephson superconducting tunneling effect,” Phys. Rev. Lett., vol. 10, pp. 230–232, Mar 1963. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.10.230

3. C. C. GRIMES and S. SHAPIRO, “Millimeter-wave mixing with josephson junctions,” Phys. Rev., vol. 169, May 1968. https://doi.org/10.1103/PhysRev.169.397

4. Y.-F. Chen, “Microwave Photon Counter Based on Josephson Junctions“, Phys. Rev. Lett. 107, 217401 Published 14 November, 2011, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.217401

5. R. Vijay, M. H. Devoret, I. Siddiqi; Invited Review Article: The Josephson bifurcation amplifier. Rev. Sci. Instrum. 1 November 2009; 80 (11): 111101. https://doi.org/10.1063/1.3224703

6. N. Boulant, G. Ithier, P. Meeson, F. Nguyen, D. Vion, D. Esteve, I. Siddiqi, R. Vijay, C. Rigetti, F. Pierre, and M. Devoret, Phys. Rev. B 76, 014525 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.014525

7. J. Hizanidis, N. Lazarides, and G. P. Tsironis, “Robust chimera states in squid metamaterials with local interactions,” Phys. Rev. E, vol. 94, p. 032219, Sep 2016. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.032219

8. P. Jung, S. Butz, M. Marthaler, M. V. Fistul, J. Lepp¨akangas, V. P. Koshelets, and A. V. Ustinov, “Multistability and switching in a superconducting metamaterial,” Nature Communications, vol. 5, p. 174507, Apr 2014. https://doi.org/10.1038/ncomms4730

9. Tsironis, G.P., Lazarides, N. & Margaris, I. Wide-band tuneability, nonlinear transmission, and dynamic multistability in SQUID metamaterials. Appl. Phys. A 117, 579–588 (2014). https://doi.org/10.1007/s00339-014-8706-7

10. N. Lazarides and G. Tsironis, “Superconducting metamaterials,” Physics Reports, vol. 752, pp. 1–67, 2018. Superconducting Metamaterials. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2018.06.005

11. P. Jung, A. V. Ustinov, and S. M. Anlage, “Progress in superconducting metamaterials,” Superconductor Science and Technology, vol. 27, p. 073001, may 2014. https://doi.org/10.1088/0953-2048/27/7/073001

12. O.A. Mukhanov, S. Sarwana, D. Gupta, A.F. Kirichenko, S.V. Rylov, “Rapid single flux quantum technology for SQUID applications”,Physica C: Superconductivity, Vol. 368, Issues 1–4,2002,Pages 196-202,ISSN 0921-4534. https://doi.org/10.1016/S0921-4534(01)01166-2

13. D. Zhang, M. Trepanier, T. Antonsen, E. Ott, and S. M. Anlage, “Intermodulation in nonlinear squid metamaterials: Experiment and theory,” Phys. Rev. B, vol. 94, p. 174507, Nov 2016. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.174507

14. P. Jung, S. Butz, S. V. Shitov, and A. V. Ustinov, “Low-loss tunable metamaterials using superconducting circuits with Josephson junctions,” Applied Physics Letters, vol. 102, p. 062601, 02 2013. https://doi.org/10.1063/1.4791697

15. S. Butz, P. Jung, L. V. Filippenko, V. P. Koshelets, and A. V. Ustinov, “A one-dimensional tunable magnetic metamaterial: erratum,” Opt. Express, vol. 22, pp. 13041–13042, Jun 2014. https://doi.org/10.1364/OE.22.013041

16. M. Trepanier, D. Zhang, O. Mukhanov, and S. M. Anlage, “Realization and modeling of metamaterials made of rf superconducting quantum-interference devices,” Phys. Rev. X, vol. 3, p. 041029, Dec 2013. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.3.041029

17. A. S. Averkin, A. P. Zhuravel, P. Jung, N. Maleeva, V. P. Koshelets, L. V. Filippenko, A. Karpov, and A. V. Ustinov, “Imaging coherent response of superconducting metasurface, ”IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 26, no. 3, pp. 1–3, 2016. https://doi.org/10.1109/TASC.2016.2516246

18. M. Trepanier, D. Zhang, O. Mukhanov, V. P. Koshelets, P. Jung, S. Butz, E. Ott, T. M. Antonsen, A. V. Ustinov, and S. M. Anlage, “Coherent oscillations of driven rf squid metamaterials,” Phys. Rev. E, vol. 95, p. 050201, May 2017. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.050201

19. M. A. Castellanos-Beltran, K. D. Irwin, G. C. Hilton, L. R. Vale, and K. W. Lehnert, “Amplification and squeezing of quantum noise with a tunable josephsonmetamaterial,” Nature Physics, vol. 4, pp. 929–931, Dec 2008. https://doi.org/10.1038/nphys1090

20. B. Ho Eom, P. K. Day, H. G. LeDuc, and J. Zmuidzinas, “A wideband, low-noise superconducting amplifier with high dynamic range,” Nature Physics, vol. 8, pp. 623–627, Aug 2012. https://doi.org/10.1038/nphys2356

21. K. O’Brien, C. Macklin, I. Siddiqi, and X. Zhang, “Resonant phase matching of josephson junction traveling wave parametric amplifiers,” Phys. Rev. Lett., vol. 113, p. 157001, Oct 2014. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.157001

22. N. E. Frattini, U. Vool, S. Shankar, A. Narla, K. M. Sliwa, and M. H. Devoret, “3-wave mixing josephson dipole element,” Applied Physics Letters, vol. 110, p. 222603, 05 2017. https://doi.org/10.1063/1.4984142

23. O. Yaakobi, L. Friedland, C. Macklin, and I. Siddiqi, “Parametric amplification in josephson junction embedded transmission lines,” Phys. Rev. B, vol. 87, p. 144301, Apr 2013. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.144301

24. A. B. Zorin, “Josephson traveling-wave parametric amplifier with three-wave mixing,” Phys. Rev. Appl.,vol. 6, p. 034006, Sep 2016. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.6.034006

25. V. Gaydamachenko, C. Kissling, and L. Grunhaupt,“rf-squid-based traveling-wave parametric amplifier with input saturation power of −84 dbm across more than one octave in bandwidth,” Phys. Rev. Appl., vol. 23, p. 064053, Jun 2025. https://doi.org/10.1103/1qk4-fzkq

26. E. I. Kiselev, A. S. Averkin, M. V. Fistul, V. P. Koshelets, and A. V. Ustinov, “Two-tone spectroscopy of a squid metamaterial in the nonlinear regime,” Phys. Rev. Res., vol. 1, p. 033096, Nov 2019. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.1.033096

27. Аверкин А.С., Филиппенко Л.В. Эффективная джозефсоновская индуктивность ВЧ-СКВИДа как функция мощности микроволнового облучения // Журнал Радиоэлектроники. – 2026. – №. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.1.9

28. УНУ «Криоинтеграл» – «Технологический и измерительный комплекс для создания сверхпроводниковых наносистем на основе новых материалов». http://www.cplire.ru/rus/kriointegral/index.html; http://ckp-rf.ru/usu/352529/

29. M. Tinkham, Introduction to superconductivity 2d ed. //McGraw-Hill international editions, -1996. с. 202.

Для цитирования:

Аверкин А.С., Филиппенко Л.В., Фистуль М.В. Бистабильные состояния в метаматериале из ВЧ-СКВИДов. // Журнал Радиоэлектроники. – 2026. – №. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.5.1