Научно-исследовательский центр криогенной наноэлектроники

В декабре 2014 года в приказом ректора в НГТУ имени Р.Е. Алексеева на базе существовавшей с  2010 г. Лаборатории криогенной наноэлектроники был создан Научно-исследовательский центр Криогенной наноэлектроники.

Лаборатория криогенной наноэлектроники стартовала с победы НГТУ имени Р.Е. Алексеева совместно с профессором Чалмерского университета технологии Леонидом Кузьминым  в конкурсе грантов Правительства РФ (постановление Правительства РФ от 09.04.2010г. №220. В 2012 году ЛКН оказалась одним из двух дюжин проектов Мегагрантов, выигравших конкурс на двухлетнее продление проекта, окончательно завершившегося в 2014 году. В настоящее время Центр криогенной наноэлектроники работает  над серией проектов (проекты Госзадания, РНФ, международные и российские хоздоговоры, гранты Президента РФ и IEEE и т.п.), связанных с созданием криостатируемых приемных устройств различных диапазонов волн от сантиметровых волн до вакуумного ультрафитолета  для наземных и космических телескопов, а также экспериментального оборудования для отработки низкотемпературного эксперимента в различных отраслях науки и техники от металлургии и транспорта до телекоммуникаций в новых диапазонах. 

Центр криогенной наноэлектроники обладает уникальным оборудованием для проведения исследований при миликельвинных температурах, включая три криостата замкнутого цикла: до 10мК, до 300мК и до 4К. На базе двух низкотемпературных криостатов создан комплекс для прецизионного измерения предельно слабых по уровню сигналов на основе оборудования National Instruments и малошумящих усилителей AD-745, оптических тестов приемников при температурах 300мК и ниже с возможностью нагрева чернотельного излучателя от 2.7 до 58К при стабилизации плиты криостата на уровне 0.3К. Также в лаборатории действует технологический участок с полным циклом создания структур методом электронно-лучевого напыления, фотолитографии и др., имеется современное измерительное оборудование: синхронные детекторы SR-830, измеритель временных интервалов SR-620, осциллограф Agilent MSO7014B, синтезатор 8.5-9.8ГГц с умножителем на 8, обеспечивающие плавное свипирование частоты в диапазоне 70-78ГГц, ячейка Голея, 2-х-канальный радиометрический комплекс для исследования поглощения атмосферы.


В результате обработки данных астрономических наблюдений, проведенных в последние годы в рамках проектов BOOMERanG, WMAP и Planck, было обнаружено, что Вселенная состоит на 73% из темной энергии, на 23% из темной материи, и только 4%-5% составляет обычная материя. В 2006 году была присуждена Нобелевская премия за экспериментальное наблюдение анизотропии реликтового излучения, и последовавшего за этим понимания, что за расширение Вселенной ответственны неизвестные силы. Эксперименты, способные прояснить природу этих таинственных темных компонентов,  требуют создания новых уникальных инструментов: обсерваторий, телескопов и приемников, базирующихся на новом поколении детектирующих систем, работающих в слабо освоенных сегодня миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.  При этом приемники, способные решать амбициозные задачи космологии, должны быть охлаждаемыми до криогенных температур самого глубокого холода - гелиевого (4К) и субгелиевого (до 0,05К) уровней. Особый интерес в последние годы приобрели приемные системы, способные обеспечить одновременное наблюдение на двух и более частотах - многочастотные приемные системы. В частности, более подробное изучение свойств реликтового излучения на нескольких частотах одновременно должно многое прояснить о ранних стадиях эволюции Вселенной. Одной из целей современной космологии является обнаружение вихревой B-моды поляризации, которая, как считается, порождена первичными гравитационными волнами. 

Создание следующего поколения космологических инструментов – амбициозная задача, над которой в настоящее время работают несколько сильных международных групп, в том числе в России. Развиваются как супергетеродинные, так и болометрические приемные комплексы, обладающие предельно высокой чувствительностью. По данным Европейского космического агентства (ЕКА) развитие болометрических детекторов должно идти в следующих направлениях:  переход от одночастотных к многочастотным пикселям; 
уменьшение размеров фокальной плоскости для разрешения проблем, связанных с аберрацией и однородностью диаграммы направленности поперек всей фокальной плоскости.

С 2010 года развитием этого направления болометрии под руководством Л.С. Кузьмина занимаются также в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е.Алексеева.
Поскольку в настоящее время в России практически отсутствуют радиотелескопы диапазона длин волн 3мм и меньше, одной из важных задач, которая также решается на оборудовании лаборатории - это исследование поглощения атмосферы для поиска мест, подходящих для установки современных радиотелескопов.

Направления исследований, проводимых в лаборатории:

  1. Реализация оригинальной концепции болометров на холодных электронах (БХЭ, CEB - cold-electron bolometer). Конструкция БХЭ предполагает наличие эффекта электронного охлаждения абсорбера. Электронное охлаждение может значительно увеличить отклик и динамический диапазон болометра, по сравнению с классическими болометрами на краю сверхпроводящего перехода. БХЭ оказались нечувствительны к космическим лучам из-за небольшого объема наноабсорбера, и благодаря принципиальной развязке электронной и фононной систем, что повысило интерес к БХЭ для применения в космических и баллонных проектах.
  2. Развитие новой оригинальной концепции - резонансного болометра на холодных электронах (РБХЭ, RCEB), содержащего внутренний резонансный нанофильтр из кинетической индуктивности сверхпроводящего полоска и емкости туннельного перехода. РБХЭ позволяет производить эффективную фильтрацию в узких спектральных интервалах, необходимых для спектроскопии принимаемого излучения. Стимулом изобретения РБХЭ явилось требование Европейского космического агентства о комбинации двух или более частот в одном пикселе.
  3. Применение последовательно-параллельных массивов болометров для использования в телескопах с высокой оптической мощностью нагрузки. Компоновка болометров в массивы позволяет увеличить динамический диапазон, сохраняя высокую чувствительность.
  4. Использование технологии самосовмещенного теневого напыления для создания туннельных переходов большой площади в сочетании с наноабсорберами. Эта технология является критической для создания БХЭ с емкостной связью, требующих туннельных переходов большой площади для емкостной связи с антенной, и для эффективного электронного охлаждения.
  5. Экспериментальное исследование генераторов ТГц диапазона частот на основе высокотемпературных сверхпроводников (планарных длинных джозефсоновских контактов на основе пленок YBCO на бикристаллических подложках, а также исследование мезаструктур слоистых сверхпроводников BSCCO). Кроме решения ряда фундаментальных задач, при исследовании резонансных свойств болометрических структур джозефсоновские генераторы используются в качестве источников излучения с плавной перестройкой частоты в диапазоне 50-900 ГГц.
  6. Теоретическое и экспериментальное исследование прототипов однофотонных детекторов ГГц диапазона частот на основе структур сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник. Такие детекторы могут использоваться для поиска аксионов (14 ГГц), а также в системах квантовой передачи и обработки информации.
  7. Исследования астроклимата (поглощения в атмосфере мм излучения парами воды и кислородом) для поиска новых мест возможного расположения наземных телескопов на территории Российской Федерации.

1. Изобретена новая концепция параллельных/последовательных массивов болометров на холодных электронах. Концепция была разработана и испытана на постоянном токе и в оптических экспериментах. Эта концепция была изобретена для реализации в баллонном телескопе Бумеранг-3, возглавляемом Римским университетом. 
Болометры для предыдущей миссии BOOMERanG-2 были изготовлены американской лабораторией JPL. Результаты BOOMERanG-2 по измерениям реликтового излучения были поставлены журналом Science на второе место в списке "10 достижений Десятилетия". 
Позже лаборатория JPL отказалась от изготовления следующего поколения массивов болометров для новой миссии Бумеранг-3 и заказ болометров был переведен в группу Леонида Кузьмина.


2. Леонид Кузьмин и соавторы получили в 2012 г.премию ВанДузера (the 2011 IEEE Van Duzer Prize) за лучшую публикацию года - Mikhail A. Tarasov, Leonid S. Kuzmin, Valerian S. Edelman, Sumedh Mahashabde and Paolo de Bernardis "Optical Response of a Cold-Electron Bolometer Array Integrated in a 345-GHz Cross-Slot Antenna" IEEE Trans. Applied Superconductivity, vol. 21, pp. 3635 – 3639 (2011). 


3. Изобретена новая концепция двумерных массивов наноболометров на холодных электронах со сдвоенной по поляризации перекрестно-дипольной антенной для одновременного измерения обеих компонент поляризации одним массивом болометров. Концепция дает возможность оптического согласования без внешних рупоров и линз и может быть согласована для считывания с высокоомным JFET усилителем,  также  как и низкоомным СКВИДом. Концепция может быть использована для  новых высокочувствительных инструментов космологии: итальянского телескопа OLIMPO и российской космической обсерватории МИЛЛИМЕТРОН.


4. Изобретен резонансный болометр на холодных электронах  (РБХЭ) с кинетической индуктивностью для нанофильтров из нитрида ниобия. Эта концепция является ключевым элементом в развитии нового поколения многочастотных систем для космического телескопа Европейского Космического Агентства COrE и других перспективных космических инструментов.


5. Нечувствительность БХЭ к космическим лучам.

БХЭ согласованный с антенной может стать поворотным пунктом в реализации следующего поколения болометров. Оказалось, что наиболее привлекательной и уникальной особенностью БХЭ является нечувствительность к космическим лучам из-за крайне малого объема наноабсорбера и из-за принципа развязки электронной и фононной подсистем. Действительно, влияние космических лучей очень сильно на воздушных шарах и космических телескопах и резко увеличивается (> 10 раз) при полетах вблизи полюсов Земли. Массивы БХЭ были протестированы на космические лучи с использованием специального оборудования в Римском университете. Последние тесты показали, что БХЭ нечувствительны к космическим лучам, т.к. время ожидания одного события - более 40 дней (для сравнения, частота возникновения отклика на космические лучи в телескопе Планк - 1 шт / сек). Такая нечувствительность БХЭ к космическим лучам делает его очень привлекательным для воздушных шаров и космических инструментов, особенно с большими фокусными пятнами, как для LSPE.


6. Измерен отклик на излучение абсолютно черного тела и шум болометров на холодных электронах. Было проведено сравнение экспериментальных результатов с теоретической моделью на основе двух уравнений теплового баланса. 
Показано, что фотонный шум (шум принимаемого сигнала) превышает любые другие компоненты шума, что позволяет сделать вывод о том, что чувствительность болометров ограничена не собственным шумом болометров, а фотонным шумом. Кроме того, своеобразная форма зависимости шума от поглощенной мощности полностью берет свое начало от фотонной компоненты в соответствии с теорией. В дополнительном эксперименте при нагреве холодной плиты криостата вместе с держателем образца мы наблюдали слабую зависимость шума от электронной температуры абсорбера, что является другим доказательством наличия фотонного шума в первом эксперименте.


7. Изготовлен и протестирован одиночный пиксель для проекта OLIMPO для канала 350 ГГц на подложке 127 мкм (половина длины волны). Показано, что пиксель удовлетворяет всем требованиям Европейского космического агентства:

  • эффективность поглощения сигнала 60% (должна быть не менее 50%),
  • фотоный шум превышает шум болометров в 1,3 раза при поглощеной мощности 20 пВт и фононной температуре 310 мК,
  • режим, ограниченный фотонным шумом, распространяется на весь диапазон поглощенныхмощностей (от 10 до 32 пВт),
  • болометры способны работать без насыщения до больших приходящих мощностей (впроведенных экспериментах до 53 пВт, но возможно и выше, если удастся создать еще большую оптическую нагрузку в эксперименте).

Таким образом, впервые в мире разработана, изготовлена и протестирована болометрическая приемная система, рассчитанная на большую принимаемую мощность и показывающая рекордную чувствительность (собственные шумы системы меньше шумов принимаемого сигнала - фотонных шумов) за счет эффекта электронного охлаждения. Система работает при электронной температуре примерно в 2 раза меньшей, чем фононная температура образца, и достигает предельных характеристик без рефрижератора растворения.


8. Исследовано электронное охлаждение в улучшенном дизайне болометров. Данный дизайн впервые применен в болометрах для проекта Олимпо. Его отличие от предыдущих дизайнов в том, что каждый СИН переход обладает двумя стоками для горячих электронов, вынесенных из абсорбера. Таким образом, горячие электроны, туннелировавшие из абсорбера в сверхпроводник, эффективно отводятся от туннельного перехода, предотвращая возврат тепла в абсорбер через фононы. Данная модификация позволила уменьшить долю тепла, возвращающегося в абсорбер, с 30%, наблюдавшихся в дизайне с одним стоком, до 6%. Как следствие, у новых болометров ниже электронная температура в рабочей точке, а значит чувствительность стала выше, что и подтвердилось в измерениях, показавших, что шум болометров стал ниже фотонного шума.


9. Разработан уникальный счетчик фотонов на 14 ГГц для обнаружения галактических аксионов. Счетчик работает на основе джозефсоновских туннельных переходов и позволяет регистрировать фотоны с частотой 1 фотон в 3000 сек.
По сравнению со стандартным счетчиком на 2 мкм разрешение по энергии улучшено на 4 порядка.

  • L.S. Kuzmin, A.V. Blagodatkin, A.S. Mukhin, D.A. Pimanov, V.O. Zbrozhek, A.V., Gordeeva, A.L. Pankratov, A.V. Chiginev, Multichroic seashell antenna with internal filters by resonant slots and cold-electron bolometers, Superconductor Science and Technology, 32, 035009 (2019) (featured article of the issue).
  • A. S. Mukhin, L. S. Kuzmin , A. V. Chiginev, A. V. Blagodatkin, V. O., Zbrozhek, A. V. Gordeeva, and A. L. Pankratov, Multifrequency seashell antenna based on resonant cold-electron bolometers with kinetic Inductance Nanofilters for CMB measurements, AIP Advances 9, 015321 (2019).
  • L.S. Kuzmin and A.V. Chiginev, “Multichroic Polarization Sensitive Planar Antennas with Resonant Cold-Electron Bolometers for Cosmology Experiments", in Functional Nanostructures and Metamaterials for Superconducting Spintronics, ed. by A. Sidorenko, Springer, 2018.
  • L.S. Kuzmin, A.S. Mukhin, and A.V. Chiginev, "Realization of the Resonant Cold-Electron Bolometer With a Kinetic Inductance Nanofilter for Multichroic Pixels", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 28, No. 4, 2400304 (2018), DOI: 10.1109/TASC.2018.2812827
  • L.S. Revin, A.L. Pankratov, D.V. Masterov, A.E. Parafin, S.A. Pavlov, A.V. Chiginev, I.V. Rakut, A.V. Gordeeva, V.O. Zbrozhek, A.V. Blagodatkin, L.S. Kuzmin, YBaCuO Josephson generators fabricated by preliminary topology masks, EPJ Web of Conferences 195, 01031 (2018).
  • A.V. Gordeeva, A.L. Pankratov, V.O. Zbrozhek, A.V. Blagodatkin, L.S. Revin, D.A. Pimanov, L.S. Kuzmin, Efficient electron cooling in Cold Electron Bolometers, EPJ Web of Conferences 195, 05003 (2018).
  • L.S. Kuzmin, A.L. Pankratov, A.V. Gordeeva, V.O. Zbrozhek, A.V. Blagodatkin, L.S. Revin, Cold-electron bolometer as a photon-noise-limited detector with on-chip electron self-cooling, EPJ Web of Conferences 195, 05006 (2018).
  • М. И. Агафонов, Г. М. Бубнов, И. Т. Бубукин, В. Ф. Вдовин, Р. В. Горбунов, И. И. Зинченко, В. А. Лапченко, В. И. Носов, А. Л. Панкратов, И. В. Ракуть, Результаты наблюдений астроклимата на крымском полуострове в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, Астрофизический бюллетень, 73, 412 (2018).
  • L.S. Kuzmin, A.L. Pankratov,  A.V. Gordeeva, V.O. Zbrozhek, L.S. Revin, V.A. Shamporov, S. Masi  and P. de Bernardis, Strong Electron Self-Cooling in the Cold-Electron Bolometers Designed for CMB Measurements, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 969,  012069 (2018).
  • L. S. Kuzmin, V. A. Shamporov, A .A. Gunbina, L. S. Kuzmin, A. L. Pankratov, A. V. Gordeeva, V. O. Zbrozhek, L. S. Revin, S. Masi, P. de Bernardis, Realization of Cold-Electron Bolometers with Ultimate Sensitivity Due to Strong Electron Self-Cooling, IEEE Xplore: 2017 16th International Superconductive Electronics Conference (ISEC), 17631753 (2018), DOI: 10.1109/ISEC.2017.8314194 
  • A.V. Gordeeva,V.O. Zbrozhek, A.L. Pankratov, L.S. Revin, V.A. Shamporov, A.A. Gunbina, L.S. Kuzmin, Observation of Photon Noise by a Parallel-Series Array of Cold-Electron Bolometers, IEEE Xplore: 2017 16th International Superconductive Electronics Conference (ISEC), 17618364 (2018), DOI: 10.1109/ISEC.2017.8314228 
  • L. S. Revin, A. L. Pankratov, A. V. Chiginev, D. V. Masterov, A. E. Parafin, S. A. Pavlov, Synchronous Regimes in YBCO Long Josephson Junctions Fabricated by Preliminary Topology Masks, IEEE Xplore: 2017 16th International Superconductive Electronics Conference (ISEC), 17618359 (2018), DOI: 10.1109/ISEC.2017.8314206
  • L. S. Revin, E. A. Vopilkin, A. V. Chiginev, V. P. Koshelets, A. L. Pankratov, S. A. Kraev, V. L. Vaks, H. Wang, A. D. Shovkun, A. B. Kulakov, Quick Technology for Fabrication of BiSrCaCuO Mesas and Its Application for Spectroscopy, IEEE Xplore: 2017 16th International Superconductive Electronics Conference (ISEC), 17618361 (2018), DOI: 10.1109/ISEC.2017.8314203
  • L. S. Kuzmin, A. S. Sobolev, C. Gatti , D. Di Gioacchino, N. Crescini`, A.V. Gordeeva, E.V. Il’ichev, Single Photon Counter Based on a Josephson Junction at 14 GHz for Searching Galactic Axions, IEEE Transactions On Applied Superconductivity, 28, 2400505 (2018).
  • L. S. Revin, A. L. Pankratov, D. V. Masterov, A. E. Parafin, S. A. Pavlov, A. V. Chiginev, E. V. Skorokhodov, Features of Long YBCO Josephson Junctions Fabricated by Preliminary Topology Mask, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 28, 1100505 (2018).
  • D. V. Masterov , A. E. Parafin, L. S. Revin, A. V. Chiginev, E. V. Skorokhodov, P. A. Yunin and A. L. Pankratov, YBa2Cu3O7−δ long Josephson junctions on bicrystal Zr1−xYxO2 substrates fabricated by preliminary topology masks, Supercond. Sci. Technol. 30 025007 (2017).
  • V. A. Shamporov, A. S. Myasnikov, E. V. Pankratova and A. L. Pankratov, Spectral linewidth of parallel Josephson junction array with intermediate-to-large damping, Physical Review B 96, 064522 (2017).
  • A. V. Gordeeva, V. O. Zbrozhek, A. L. Pankratov, L. S. Revin, V. A. Shamporov, A. A. Gunbina, and L. S. Kuzmin, Observation of photon noise by cold-electron bolometers, Appl. Phys. Lett. 110, 162603 (2017).
  • A. L. Pankratov, E. V. Pankratova, V. A. Shamporov, and S. V. Shitov, Oscillations in Josephson transmission line stimulated by load in the presence of noise, Appl. Phys. Lett. 110, 112601 (2017).
  • Кузьмин Л.С., Чигинев А.В., “Двухчастотная перекрестно-щелевая антенна с резонансными болометрами на холодных электронах для применения в космической миссии COrE”, Приборы и методы измерений, 2017, Т. 8, No 2, С. 101–107.
  • G. M. Bubnov, I. V. Lesnov and V. F. Vdovin, Data rates of SubTHz wireless telecommunication channels, 10th International Workshop 2017 “Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications” 02012, EPJ Web Conf., Vol. 149 (2017).
  • G. M. Bubnov, V. F. Vdovin, V. Yu. Bukov, T. A. Makarov, G. N. Il’in and I. I. Zinchenko, Millimeter-wave astroclimate investigations on Badary observatory near Baikal lake, 32nd URSI GASS, Montreal, 19-26 August 2017.
  • А. С. Мухин, А. В. Гордеева, Л. С. Ревин, А. Е. Абашин, А. А. Шишов, А. Л. Панкратов, С. Махашабде, Л. С. Кузьмин, «Чувствительность и шумы цепочек болометров на холодных электронах», Изв. вузов. Радиофизика, Т. 59, № 8-9, С. 842-851, 2016.
  • С. Н. Вдовичев, В. Ф. Вдовин, А. Ю. Климов, А. С. Мухин, Ю. Н. Ноздрин, В. В. Рогов, О.Г. Удалов, «Охлаждаемые микроболометры сверхвысокочастотного диапазона на основе керметных плёнок Si-Cr», Изв. вузов. Радиофизика, Т. 59, № 8-9, С. 811-818, 2016.
  • Leonid S. Kuzmin, Alexander V. Chiginev, Ekaterina A. Matrozova, and Alexander S. Sobolev, “Multifrequency Seashell Slot Antenna With Cold-Electron Bolometers for Cosmology Space Missions”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 26, Issue 3, #2300206 (2016), DOI: 10.1109/TASC.2016.2544659.
  • Leonid S. Kuzmin and Alexander V. Chiginev, Proceedings of SPIE - Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy VIII, edited by Wayne S. Holland, Jonas Zmuidzinas, Proc. of SPIE Vol. 9914, 99141U, doi: 10.1117/12.2232895 (2016).
  • Boon-Kok Tan, Ghassan Yassin, Ernst Otto, and Leonid Kuzmin, “Experimental Investigation Of A Superconducting Switch At Millimeter Wavelengths”, IEEE Transactions On Terahertz Science And Technology, V. 6, #1, P. 121-126 (2016).
  • V. I. Nosov, O. S. Bolshakov, b, G. M. Bubnov, b, V. F. Vdovin, b, I. I. Zinchenko, A. S. Marukhno, P. L. Nikiforov, L. I. Fedoseev, and A. A. Shvetsov, “A Dual-Wave Atmosphere Transparency Radiometer of the Millimeter Wave Range”, Instruments and experimental techniques, V. 59, #3, P. 374-380 (2016).
  • S. N. Vdovichev, V. F. Vdovin, A. Yu. Klimov, A. S. Mukhin, V. V. Rogov, and O. G. Udalov, “Cermets as a Versatile Artificial Material for the Fabrication of Cooled Microbolometers for the Microwave Range”, Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, V. 10, #2, P. 455-457 (2016).
  • V. F. Vdovin, V. G. Grachev, S. Yu. Dryagin, A. I. Eliseev, R. K. Kamaletdinov, D. V. Korotaev, I.V. Lesnov, M. A. Mansfeld, E. L. Pevzner, V. G. Perminov, A. M. Pilipenko, B. D. Sapozhnikov, and V. P. Saurin, Cryogenically Cooled Low-Noise Amplifier for Radio-Astronomical Observations and Centimeter-Wave Deep-Space Communications Systems, Astrophysical Bulletin, V. 71, #1, P. 125-128 (2016).
  • Connor D. Shelly, Ekaterina A. Matrozova and Victor T. Petrashov, Resolving thermoelectric “paradox” in superconductors, Science Advances, 2, e1501250 (2016), DOI: 10.1126/sciadv.1501250
  • I. I. Soloviev, N. V. Klenov, A. L. Pankratov, L. S. Revin, E. Il'ichev, and L. S. Kuzmin, Soliton scattering as a measurement tool for weak signals, Phys. Rev. B 92, 014516 (2015).
  • Vopilkin E.A., Chiginev A.V., Revin L.S., Tropanova A.N., Shuleshova I.Yu., Okhapkin A.I., Shovkun A.D., Kulakov A.B. and Pankratov A.L., Quick and reliable technology for fabrication of stand-alone BSCCO mesas, Superconductor Science and Technology, 28, 045006 (2015).
  • S. Mahashabde, A. Sobolev, A. Bengtsson, D. Andrén, M. A. Tarasov, M. Salatino, P. de Bernardis, S. Masi, and L. S. Kuzmin, A frequency selective surface based focal plane receiver for the OLIMPO balloonborne telescope, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 5,  145–152 (2015).
  • Pankratov A.L., Fedorov K.G., Salerno M., Shitov S.V., and Ustinov A.V.  Nonreciprocal transmission of microwaves through a long Josephson junction, Physical Review B, 92, 104501 (2015).
  • Mahashabde, Sumedh and Sobolev, Alexander S and Tarasov, Mikhail A and Tsydynzhapov, Gombo E and Kuzmin, Leonid S, Planar Frequency Selective Bolometric Array at 350 GHz, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 5, 37-43 (2015).
  • Mahashabde, S.,  Tarasov, M. A.,  Salatino, M., Sobolev, A., Masi, S., Kuzmin, L. S., and de Bernardis, P., A distributed-absorber Cold-Electron Bolometer single pixel at 95 GHz, Applied Physics Letters, 107, 092602 (2015).
  • Soloviev I.I., Klenov N.V., Bakurskiy S.V., Pankratov A.L., and Kuzmin L.S., Symmetrical Josephson vortex interferometer as an advanced ballistic single-shot detector, Applied Physics Letters, 105, 202602 (2014).
  • L.S. Kuzmin. A Resonant Cold-Electron Bolometer With a Kinetic Inductance Nanofilter,  IEEE Transactions On Terahertz Science And Technology, 4, 314-320 (2014).
  • M. Salatino, P. de Bernardis, L. S. Kuzmin, S. Mahashabde, S. Masi "Sensitivity to Cosmic Rays of Cold Electron Bolometers for Space Applications", Journal of Low Temperature Physics, 176, 323-330 (2014).
  • Salatino M., Mahashabde S., de Bernardis P., Kuzmin L.S. and Masi S., Cold-electron bolometers for future mm and sub-mm sky surveys,  Proc. of the SPIE Astronomical telescopes + Instrumentation. Millimeter,  Sub-millimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy VII, vol. 9153, article id. 91530A, astro-ph/1410.5870 (2014).
  • Parshin V.V., Serov E. A., Bubnov G. M., Vdovin V. F., Koshelev M. A., Tretyakov M. Yu., Cryogenic Resonator Complex, Radiophysics And Quantum Electronics, 56, 554-560 (2014).
  • Revin L.S., Chiginev A. V., Pankratov A. L., Masterov D. V., Parafin A. E., Luchinin G. A., Matrozova E. A., Kuzmin L. S., The effect of bias current asymmetry on the flux-flow steps in the grain boundary YBaCuO long Josephson junctions, Journal Of Applied Physics, 114, 243903 (2013).
  • Zagoskin A.M., Wilson R. D., Everitt M., Savel'ev S., Gulevich D. R., Allen J., Dubrovich V. K., Il'ichev E., Spatially resolved single photon detection with a quantum sensor array, Scientific Reports, 3, 3464 (2013).
  • Kolenda S., Wolf M. J., Golubev D. S., Zaikin A. D., Beckmann D., Nonlocal transport and heating in superconductors under dual-bias conditions, Physical Review B, 88, 174509 (2013).
  • Oelsner G., Revin L. S., Il'ichev E., Pankratov A. L., Meyer H. -G., Gronberg L., Hassel J., Kuzmin L. S., Underdamped Josephson junction as a switching current detector, Applied Physics Letters, 103, 142605 (2013).
  • Galaktionov Artem V., Zaikin Andrei D., Current-biased Andreev interferometer, Physical Review B, 88, 104513, (2013).
  • Semenov Andrew G., Zaikin Andrei D., Persistent currents in quantum phase slip rings, Physical Review B, 88, 054505 (2013).
  • Otto Ernst, Tarasov Mikhail, Grimes Paul K., Chekushkin Artem, Kuzmin Leonid S., Yassin Ghassan, Optical response of a titanium-based cold-electron bolometer, Superconductor Science & Technology, 26, 085020 (2013).
  • Afanasiev V.L., Emelianov E. V., Murzin V. A., Vdovin V. F., IR spectrometer project for the BTA telescope, Astrophysical Bulletin, 68, 358-370, (2013).
  • Soloviev I.I., Klenov N.V., Pankratov A.L., Kuzmin L.S., Effect of Cherenkov radiation on the jitter of solitons in the driven underdamped Frenkel-Kontorova model, Physical Review E, 87, 060901 (2013).
  • Solovyev D., Dubrovich V. K., Plunien G., Investigation of the electromagnetically induced transparency in the era of cosmological hydrogen recombination, Journal Of Physics B-Atomic Molecular And Optical Physics, 45, 215001 (2012).
  • Semenov Andrew G., Zaikin Andrei D., Kuzmin Leonid S., Dephasing of Cooper pairs and subgap electron transport in superconducting hybrids, Physical Review B, 86, 144529, (2012).
  • Kalenkov Mikhail S., Zaikin Andrei D., Kuzmin Leonid S., Theory of a Large Thermoelectric Effect in Superconductors Doped with Magnetic Impurities, Physical Review Letters, 109, 147004 (2012).
  • Matrozova Ekaterina A., Pankratov Andrey L., Revin Leonid S., The effect of bias feed profile on the linewidth of noisy Josephson flux flow oscillator, Journal Of Applied Physics, 112, 053905, (2012).
  • Pankratov Andrey L., Gordeeva Anna V., Kuzmin Leonid S., Drastic Suppression of Noise-Induced Errors in Underdamped Long Josephson Junctions, Physical Review Letters, 109, 087003, (2012).
  • Revin Leonid S., Pankratov Andrey L., Spectral and power properties of inline long Josephson junctions, Physical Review B, 86, 054501 (2012).
  • Galaktionov Artem V., Zaikin Andrei D., Kuzmin Leonid S., Andreev interferometer with three superconducting electrodes, Physical Review B, 85, 224523 (2012).
  • Kuzmin Leonid S., 2D array of cold-electron nanobolometers with double polarised cross-dipole antennas, Nanoscale Research Letters, 7, 224 (2012).
  • Smirnov A. V., Baryshev A. M., de Bernardis P.,  Vdovin V. F., Gol'tsman G. N., Kardashev N. S., Kuz'min L. S., Koshelets V. P., Vystavkin A. N., Lobanov Yu. V., Ryabchun S. A., Finkel M. I., Khokhlov D. R., The Current Stage Of Development Of The Receiving Complex Of The Millimetron Space Observatory, Radiophysics And Quantum Electronics, 54 557-568( 2012).
  • Kuzmin L. S., Two-Dimensional Array Of Cold-Electron Bolometers For High-Sensitivity Polarization Measurements, Radiophysics And Quantum Electronics, 54, 548-556 (2012).
  • Tarasov Mikhail A., Kuzmin Leonid S., Edelman Valerian S., Mahashabde Sumedh, de Bernardis Paolo, Optical Response of a Cold-Electron Bolometer Array Integrated in a 345-GHz Cross-Slot Antenna, Ieee Transactions On Applied Superconductivity, 21, 3635-3639 (2011).
  • Tarasov M., Lindvall N., Kuzmin L., Yurgens A., Family of Graphene-Based Superconducting Devices, JETP Letters, 94, 329-332 (2011).
  • Matrozova E. A., Pankratov A. L., Levichev M. Yu., Vaks V. L., Spectral characteristics of noisy Josephson flux flow oscillator, Journal Of Applied Physics, 110, 053922 (2011).
  • Revin Leonid S., Pankratov Andrey L., Fine tuning of phase qubit parameters for optimization of fast single-pulse readout, Applied Physics Letters, 98, 162501 (2011).

Криогенное и измерительное оборудование

Научно исследовательский центр криогенной наноэлектроники, наверное, единственный в России центр, в оборудовании которого имеется набор из серии трёх сухих низкотемпературных криостатов для проведения исследований в среде температур, близких к абсолютному нулю. Все криостаты основаны на криоголовках Cryomech PT-410 и снабжены окнами для случаев работы с внешними источниками подачи сигнала на испытуемые образцы.

  • Сухой криостат растворения He3/He4 Triton200 c базовой температурой 10мК.
    Тритон 200 - сухой криостат растворения непрерывного цикла, созданный Oxford Instruments. Позволяет достигать температуры ниже 10мК. Время выхода на режим - 18 часов. Автоматическая система управления нагревателем нижней плиты позволяет с высокой точностью поддерживать заданную температуру испытуемых  образцов.
  • Сухой криостат криосорбционный Triton3He c базовой температурой 300мК и сверхпроводящим магнитом на 0.4Т.
    Тритон 3Не - криостат циклического действия, созданный Oxford Instruments, укомплектованный сверхпроводящим магнитом на поля до 0.4Т. Позволяет достигать температуры 300мК. Время выхода на режим - 16 часов. Время цикла поддержания рабочей температуры - больше суток. Время перезапуска между циклами - 2 часа.
  • Сухой криостат на базе пульсационной трубы PT-410 с базовой температурой 4К.
    4К - криостат непрерывного цикла, созданный ИПФ РАН с использованием криоголовки Cryomech PT-410 с хладопроизводительностью 1Вт при температуре 4К. Позволяет достигать температуры ниже 4К. Время выхода на режим - 2 часа.
  • Вакуумный откачной пост Pfeiffer HiCube 80 Eco.
  • Течеискатель Pfeiffer Vacuum HLT 550.
  • Термометры Lakeshore DT-470-DI-13 на диапазон температур от 1.4К до 300К.
  • Набор синтезаторов и умножителей, обеспечивающих получение электромагнитного излучениямикроволнового диапазона от 70 до 170 ГГц, спектроанализатор Signal Hound USB-SA44B 1Гц-4.4ГГц.
  • Быстродействующий цифровой осциллограф Agilent MSO7014B.
  • Синхронный детектор SR-830 и измеритель временных интервалов SR-620.
  • ЛОВ с прецизионным высоковольтным источником питания с диапазоном частот 250-370 ГГц.
  • Оптоакустический детектор Голея TYDEX GC-1P с оптическим прерывателем Thor Labs.
  • Оптический стол с набором ТГц фильтров и поляризаторов.
  • 2-х-канальный (2-мм и 3-мм) радиометрический комплекс для исследования поглощения атмосферы МИАП-2.

Технологическое оборудование

  • Установка электронно-лучевого напыления тонких пленок VST TFDS -462B.
    Состоит из рабочей и шлюзовой камер, форвакуумная откачка осуществляется безмасляным спиральным насосом, глубокая откачка осуществляется криосорбционным насосом, что позволяет получить высокий вакуум, менее 5*10^-8 мм.рт.ст.(Торр). Шлюзовая камера оснащена турбо-молекулярным насосом с номинальными оборотами 90 000 rpm, что позволяет экономить время при загрузке образцов и не откачивать основной рабочий объем. 
    Установка служит для нанесения тонких металлических и диэлектрических пленок. В установке предусмотрен столик для образцов с подогревом до +200С или охлаждением до -35С, также есть возможность напыления под углом к источнику, предусмотрена предварительная подготовка подложек перед напылением, представленная в виде мощного источника ионной очистки (аргоновая плазма).
  • Установка совмещения и экспонирования KARL SUSS MJB-3 в составе локальной чистой зоны.
    Фотолитографическая установка, позволяет создавать микроструктуры размером менее 800 нм. Включает в себя УФ лампу (длина волны 350 нм), микроскоп, подвижной столик, держатель фотошаблонов и форвакуумный насос. Охлаждение лампы может производиться как чистым азотом из баллона, так и сухим сжатым воздухом (в комплекте имеются компрессор и осушитель).
  • Установка плазменной очистки/травления Femto.
  • Центрифуга Sawatec SM-180-BT.
  • Скрайбер автоматический KARL SUSS RA-120.
  • Шкаф и плитка для задубливания резиста.
  • Оптический микроскоп Olimpus с набором объективов с увеличением до 600х.
  • Микроскоп металлографический с увеличением 800х и 1200х.

Расчетное оборудование

  • Расчетный кластер на основе 6-ядерных процессоров Intel i7 5820 и i7 6800 для расчета электро-магнитных задач, 3 системных блока с 64ГБ 4-х канальной оперативной памяти DDR4 каждый.

Услуги:

  1. Напыление тонких пленок различных материалов  (Al,  Cu, Cr, Ni, Ti и др.) на подложках. Напылительная камера с поворотным охлаждаемым столиком, позволяющая осуществлять теневое напыление при температурах от -35С до 200С. Вакуум до 2*10-8 торр. Компьютерный мониторинг процессов напыления и системы газового контроля.
  2. Контактная фотолитография с разрешением до 2 мкм с применением двухслойных масок для взрывной литографии. Термообработка в диапазоне температур до 280 0С.
  3. Чистка подложек в кислородной плазме. Травление или частичное удаление различных материалов.
  4. Определение температурных зависимостей в диапазоне от 10 мК до 300 К. Возможность цифровой обработки результатов измерений.
  5. Исследование электрических свойств и определение электрофизических параметров образцов. Спектральная обработка сигналов.
  6. Измерение СВЧ отклика криогенных приемников на чернотельное излучение в пределах температур от 2,7К до 58 К при фиксированной температуре плиты с приемником 300 мК.
  7. Измерение СВЧ отклика криогенных приемников на излучение в диапазонах 70-170 ГГц и 250-370 ГГц с использованием внешних источников сигналов, а также в диапазоне 50-900 ГГц с использованием источников на основе джозефсоновских контактов внутри криостата.

Методики:

  1. Измерение температуры, основанное на изменении электрического сопротивления тел при изменении температуры.
  2. Измерение вольт-амперных характеристик (ВАХ). ВАХ строится по результатам измерений выходных сигналов с операционных усилителей, измеряющих падение напряжения на самом образце и на резисторе известного номинала, подключенного последовательно с образцом. Доступные диапазоны токов: 5нА, 50нА, 500нА, 5мкА, 50мкА.
  3. Измерение отклика на электромагнитное излучение. В качестве широкополосного источника излучения используется конусообразное черное тело, синтезатор с умножителями или лампа обратной волны на диапазоны 70-170 ГГц и 250-370 ГГц, а также джозефсоновские генераторы, расположенные на 4К ступени криостата, работающие в диапазоне 50-900ГГц.
  4. Измерение мощности излучения источников в диапазоне от 100ГГц до 3ТГц  ячейкой Голея с мощностью эквивалентной шуму 10-11 Вт/Гц1/2 при температуре 300 К. 
  5. Измерение амплитудно-частотных характеристик антенн с криогенными приемниками.
  6. Измерение электрических свойств во внешнем магнитном поле до 0.4Т.
  7. Измерение спектральных характеристик шумов напряжения и тока.
  8. Измерение вольт-ваттной чувствительности детекторов при температурах от 300 К до 50мК.

План загрузки оборудования:

Установка

планируемая загрузка в %

2018 г.

октябрь

ноябрь

декабрь

Сухой криостат растворения He3/He4 Triton200 c базовой температурой 10мК.

25

25

25

Сухой криостат криосорбционный Triton3He c базовой температурой 300мК и сверхпроводящим магнитом на 0,4Т

50

25

10

Сухой криостат на базе пульсационной трубы PT-410 с базовой температурой 4К

10

10

10

Установка электронно-лучевого напыления тонких пленок VST TFDS -462B

30

30

10

Установка совмещения и экспонирования KARL SUSS MJB-3 в составе локальной чистой зоны

5

5

5

 

Порядок предоставления услуг:

  1. ЛКН принимает заявки от заинтересованных пользователей для проведения исследований и предоставления услуг. Заявка должна содержать, в том числе: информацию о заявителе (имя, организация, адрес, телефон); описание работ (название, цель работы, объект исследования, предварительная подготовка объекта, предполагаемую продолжительность работы на оборудовании, желаемая дата начала и т. д.) и, при необходимости, техническое задание. Заявки могут быть отправлены по электронной почте на адрес уполномоченного сотрудника ЛКН.
  2. Полученные заявки рассматриваются уполномоченным сотрудником ЛКН по мере их получения в течение 5 дней с даты регистрации. Исходя из результатов рассмотрения заявки, учитывая степень соответствия возможностей оборудования ЛКН и времени работы оборудования, уполномоченный сотрудник ЛКН принимает решение о возможности заключения договора на научные работы и услуги и включает заявку в рабочий план ЛКН.
  3. В договоре устанавливается возможность допуска физических лиц - представителей заинтересованного пользователя - непосредственно для работы на оборудовании ЛКН.
  4. По завершении услуги внешнему пользователю выдается документ, содержащий результаты выполненной работы (отчет, протокол испытаний, результаты измерений и т. д.).
  5. Услуги по коллективному использованию научного оборудования могут предоставляться как на возмездной, так и на безвозмездной основе.
  6. Проведение исследований и оказание услуг на возмездной основе заинтересованным пользователям осуществляется на основе соглашения между организацией-заказчиком и НГТУ им. Р.E. Алексеева.
  7. Стоимость услуг рассчитывается индивидуально исходя из времени, необходимого для выполнения услуги, и количества расходных материалов.
  8. Заявки на проведение исследований и предоставление услуг можно направлять Анне Валерьевне Гордеевой по адресу a.gordeeva@nntu.ru 

    Пример типового соглашения о проведении научных исследований и предоставлении услуг.
Заявка на проведение исследований

Научный руководитель, главный научный сотрудник

Доктор физико-математических наук, профессор, Профессор Чалмерского технологического университета в Гетеборге (Швеция)

Научный сотрудник

Кандидат физико-математических наук (Ph.D.)

Инженер 1 категории


Ведущий научный сотрудник

Доктор физико-математических наук

Научный сотрудник

Кандидат физико-математических наук

Старший научный сотрудник

Кандидат физико-математических наук

Младший научный сотрудник