Influence of YBaCuO josephson junction parameters on the characteristics of broadband detection

Matrozova, E. A.; Masterov, D. V.; Pavlov, S. A.; Parafin, A. E.; Revin, L. S.

doi:10.30898/1684-1719.2022.12.4

E.A. Matrozova^1,2, D.V. Masterov¹, S.A. Pavlov¹, A.E. Parafin¹, L.S. Revin^1,2

Abstract

For Josephson bicrystal YBaCuO junctions 3-1.5 µm in size, the response to an external signal with a frequency of 165 GHz was measured. Receivers with similar I_CR_N values at helium temperatures and different R_N values were chosen for the study. The amplitudes of the Shapiro steps were measured for various external signal powers and sample temperatures. The dependence of the output voltage noise on the operating point, temperature, and external signal power was measured. It is shown that fluctuations of the critical current have the greatest influence on the output noise of the receiver. The volt-watt responsivity and noise-equivalent power were evaluated for a 165 GHz external signal. The experimental results are compared with numerical calculations based on the model of a resistive-capacitive shunted Josephson junction. Optimal temperature operating ranges for the use of each structure were shown.

YBaCuO Josephson junction
grain boundary
broadband detector
responsivity
RCSJ model

Аннотация (на русском)

Влияние параметров YBaCuO джозефсоновского перехода на характеристики широкополосного детектирования

Для джозефсоновских бикристаллических YBaCuO переходов шириной 1,5 и 3 мкм измерен отклик на внешний сигнал частотой 165 ГГц. Для исследования были выбраны приемники с близкими значениями I_CR_N при гелиевых температурах и разными значениями R_N . Измерены амплитуды ступеней Шапиро для различных мощностей внешнего сигнала и температур образцов. Измерена зависимость выходного шума по напряжению от рабочей точки, температуры, мощности внешнего сигнала. Показано, что флуктуации критического тока имеют наибольшее влияние на выходной шум приемника. Проведена оценка вольт-ваттной чувствительности и мощности эквивалентной шуму для частоты 165 ГГц. Проведено сравнение экспериментальных результатов с численными расчетами на основе модели резистивно-ёмкостного шунтированного джозефсоновского перехода. Показаны оптимальные рабочие диапазоны температур для каждой из структур.

For citation

Matrozova E.A., Masterov D.V., Pavlov S.A., Parafin A.E., Revin L.S. Influence of YBaCuO josephson junction parameters on the characteristics of broadband detection // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.4

References

An D.Y., Yuan J., Kinev N., et al. Terahertz emission and detection both based on high-Tc superconductors: Towards an integrated receiver. Applied Physics Letters. 2013. V.102. P.092601. https://doi.org/10.1063/1.4794072
Volkov O., Pavlovskiy V., Gundareva I., Khabibullin R., Divin Y. In Situ Hilbert-transform spectral analysis of pulsed terahertz radiation of quantum cascade lasers by High-Tc Josephson junctions. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2021. V.11. P.330-338. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2020.3034815
Masterov D.V., Parafin A.E., Revin L.S., et al. YBa2Cu3O7-δ long Josephson junctions on bicrystal Zr1-xYxO2 substrates fabricated by preliminary topology masks. Superconductor Science and Technology. 2017. V.30. P.025007. https://doi.org/10.1088/1361-6668/30/2/025007
Glushkov E.I., Chiginev A.V., Kuzmin L.S., Revin L.S. A broadband detector based on series YBCO grain boundary Josephson junctions. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2022. V.13. P.325-333. https://doi.org/10.3762/bjnano.13.27
Gustafsson D., Lombardi F., Bauch T. Noise properties of nanoscale YBa2Cu3O7-δ Josephson junctions. Physical Review B. 2011. V.84. P.184526. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.184526
Vystavkin A.N., Gubankov V.N., Kuzmin L.S., et al. S-c-S junctions as nonlinear elements of microwave receiving devices. Revue de Physique Appliquée. 1974. V.9. P.79. https://doi.org/10.1051/rphysap:019740090107900