Аннотация

Наш современный мир невозможно представить без радио- и СВЧ телекоммуникационных технологий. Сотовые телефоны, беспроводной доступ в Интернет, спутниковое телевидение, GPS - лишь некоторые яркие примеры. Для любой системы телекоммуникаций требуется высокочувствительное приемное устройство, и в мобильных устройствах оно состоит из антенны, чтобы выбрать сигнал на определенных частотах и полевого транзистора (FET) для усиления слабых сигналов. Усилители сигнала всегда характеризуются уровнем собственных шумов, который лимитирует уровень полезного сигнала, который может быть получен, обработан и усилен. Уровень шума может быть выражен в терминах температуры шума, которая соответствует температуре резистора генерирующего эквивалентное количество шума. Как правило, температура шумов современных полевых транзисторов - усилителей составляет около 100 К. Таким образом, для того, чтобы резко повысить чувствительность приемника, он должен быть охлажден до криогенных температур, что технологически сложно выполнимо и не практично. Мазеры известны как одни из лучших СВЧ усилителей. Функциональность мазеров основана на чисто квантово-механическом эффекте, который представляет собой стимулированное микроволновое излучение. Это и является причиной того, что мазеры (квантовые усилители) характеризуются крайне низким уровнем температуры собственных шумов. Тепловой шум мазера определяется спонтанным излучением и поглощением микроволнового излучения и может быть выражен как Tnoise = hν / k, где k – это постоянная Больцмана, h – постоянная Планка, ню - это рабочая частота мазера. Например, если усилитель (мазер) работает на частоте v = 10 ГГц, температура шума составляет всего Tnoise = 0,5 К. Это является причиной, почему НАСА использовала технологию мазерного усиления при выполнении миссии Curiosity на Марс. Поскольку данная технология смогла обеспечить надежную приемку сигнала на марсаходе и усиление слабого ответного сигнала, которому предстояло пройти миллионы километров до Земли. Проблема же в использовании мазеров в нашей повседневной жизни состоит в том, что современные мазеры громоздки, работают при криогенных температурах и чрезвычайно дорого стоят. Карбид кремния (SiC), является уникальным материалом для создания мазерных усилителей, способных работать при комнатной температуре, которые могут быть интегрированы в мобильные устройства. Два из трех необходимых условия для достижения эффекта маузерного усиления уже были продемонстрировано в этой системе при комнатной температуре.

Во-первых, была продемонстрирована возможность создания оптически индуцированной инверсной заселенности спиновых подуровней центров окраски в карбиде кремния, которыми являются вакансионные кремниевые центры (VSi). Эти результаты были получены авторским коллективом проекта и опубликованы в статьях. ( V. A. Soltamov, A. A. Soltamova, P. G. Baranov, I. I. Proskuryakov, “Room Temperature Coherent Spin Alignment of Silicon Vacancies in 4H- and 6H-SiC”, Phys. Rev. Lett. 108, 226402 (2012)., D. Riedel, F. Fuchs, H. Kraus, S. Väth, A. Sperlich, V. Dyakonov, A. A. Soltamova, P. G. Baranov, V. A. Ilyin, and G. V. Astakhov, “Resonant addressing and manipulation of silicon vacancy qubits in silicon carbide”, Phys. Rev. Lett. 109, 226402 (2012).).

Во-вторых, используя карбид кремния с введенными в него VSi центрами, была показана возможность получения стимулированного микроволнового излучения на частоте 10GHz. Причем излучаемая частота может быть перестраиваемой в широком диапазоне – от мегагерцового до гигогерцового за счет изменения величины расщепления Зеемановских подуровней в магнитном поле. Например, 10ГГц – это частота, соответствующая постоянному магнитонму полю 300 мТл. Эти результаты были изложены в статье авторского коллектива проекта (Kraus, H., Soltamov, V.A., Riedel, D., et al., 2014. Room-temperature quantum microwave emitters based on spin defects in silicon carbide. Nature Physics, 10(2), pp.157–162.)

Третье условие, которое является основной задачей, на решение которой направлен проект – это реализация усилительной системы типа резонатор – кристалл и создание высокой степени оптически индуцированной инверсной заселенности. Необходимо отметить, что карбид кремния является высокотехнологичным полупроводниковым материалом, таким образом, предлагаемые к реализации в рамках проекта усилители на SiC могут быть созданы в виде единого чипа. Создание планарного микроволнового резонатора на полупроводниковой подложки на сегодняшний день является стандартной технологией. SiC также совместим с КМОП-технологии для построения интегральных схем , что позволяет получить выходной сигнал мазера и далее продолжить его Таким образом, масштабируемый малошумящий карбид кремниевый усилитель мазерного типа открывает широкие возможности для многих приложений, в которых необходимы малошумящие и высоконадежные микроволновые детекторы.

Для реализации поставленной цели проект разбит на несколько задач.

Для решения данной задачи нами предлагается использовать такое свойства карбида кремния, как политипизм. Кратко, данное свойство заключается в возможности карбида кремния кристаллизоваться более чем в 250 различных кристаллических модификаций. Основания для такого подхода заключаются в том, что авторами проекта было показана зависимость степени инверсной заселенности спиновых подуровней VSi центров в зависимости от кристаллической модификации карбида (. A. Soltamov, B. V. Yavkin, D. O. Tolmachev, R. A. Babuntus, A. G. Badalyan, V. Yu. Davydov, E. N. Mokhov, I. I. Proskuryakov, S. B. Orlinskii, P. G. Baranov, “Optically addressable silicon vacancy-related spin centers in rhombic silicon carbide with high breakdown characteristics and ENDOR evidence of their structure”). Таким образом, это свойство SiC предлагается использовать с целью подбора оптимальной кристаллической модификации последнего для реализации рабочего тела квантового усилителя микроволнового излучения. Основания для такого подхода заключаются в том, что авторами проекта было показана зависимость степени инверсной заселенности спиновых подуровней VSi центров в зависимости от кристаллической модификации карбида (. A. Soltamov, B. V. Yavkin, D. O. Tolmachev, R. A. Babuntus, A. G. Badalyan, V. Yu. Davydov, E. N. Mokhov, I. I. Proskuryakov, S. B. Orlinskii, P. G. Baranov, “Optically addressable silicon vacancy-related spin centers in rhombic silicon carbide with high breakdown characteristics and ENDOR evidence of their structure”).

1. Создания монокристаллического карбида кремния различных кристаллических модификаций (явление политипизма в SiC)
2. Изотопный контроль карбида кремния и модификация изотопного состава SiC По пунктам 1 и 2 предлагается использовать такую замечательную особенность SiC как возможность карбида кремния кристаллизоваться более чем в 250 различных кристаллических модификаций, поскольку от политипа сильно зависят оптические и электрофизические характеристики парамагнитных центров в нем. Изотопный контроль предлагается проводить с целью повышения времен когерентности спиновой системы, на которой создается инверсная заселенность, поскольку чем длиннее времена, тем ниже уровень шумов мазера.
3. Исследование процессов оптической накачки спиновых подуровней парамагнитных центров в SiC различных политипов для создания максимально эффективной инверсной заселённости спиновых подуровней
4. Исследование эффективности оптической накачки в зависимости от длины волны возбуждения
5. Теоретический расчёт параметров тонкой структуры парамагнитных центров на основе которых производится микроволновое усиление. Предлагается провести теоретические расчеты эффективности оптической накачки, приводящей к инверсной заселенности спиновых подуровней парамагнитных центров в SiC, и параметров тонкой структуры этих центров с точки зрения их симметрии, опираясь на полученные экспериментальные данные методами спектроскопии электронного парамагнитного резонанса и оптически детектируемого магнитного резонанса.
6. Создание планарных резонаторных систем и волноводов для микроволновых усилителей на SiC
7. Получение усиления микроволнового излучения c использованием SiC в качестве рабочего тела. по п.6 и п.7 будут использованы оптимизированные кристаллические матрицы SiC, содержащие VSi центры, для создания микроволнового усилителя на основе мазерного эффекта.

Ожидаемые результаты

1. Будет разработана методика роста монокристаллических образцов SiC редких политипов 8H, 10H и 15R.
2. Будут исследованы спиновые свойства VSi центров в них и проведена оценка их эффективности с точки зрения создания на их квантовых микроволновых усилителей.
3. Будет продемонстрировано усиление микроволнового излучения на основе мазерного эффекта в карбиде при комнатной температуре. И созданы планарные волноводы и резонаторы для создания эффективного малошумящего усилителя микроволнового излучения.

Запланированные результаты превосходят мировой уровень в данной области, поскольку единственная система, способная конкурировать с VSi центрами в карбиде кремния представляет собой органический материал и способна работать только в импульсном режиме усиления микроволнового излучения (Mark Oxborrow, Jonathan D. Breeze & Neil M. Alford, Room-temperature solid-state maser, Nature 488, 353–356).