Цель проекта состоит в теоретической разработке элемента нового поколения в области наноэлектроники, способного существенно улучшить работоспособность и запас прочности современных электроустройств и электросистем.
Название элемента: LСJC (logical controlled Josephson contact) - логический управляемый джозефсоновский контакт.

Основная идея разработки состоит в изготовлении логического вентиля: особой системы, состоящей из сверхпроводящей цилиндрической трубки, внутри которой будет находиться сверхпроводник с контактом Джозефсона. Правильно произведя расчёт параметров критических токов и критических магнитных полей, можно сконструировать элемент, с помощью которого регулировкой тока в цилиндрической трубке можно осуществлять контроль тока туннелирования через контакт Джозефсона, который находится внутри. Таким образом, появляется возможность реализовать идеи технологии контроля старения материалов при создании различных логических элементов интегральных электросхем, что, в свою очередь, позволит существенно улучшить работоспособность и запас прочности современных электроустройств и электросистем. Обеспечение бесперебойного функционирования электросистем особенно актуально в космической и военно-космической отраслях, где в связи с экстремальными условиями эксплуатации, зачастую без возможности прямого доступа к самим устройствам, крайне сложно произвести надлежащий ремонт вышедших из строя элементов системы. Поэтому при производстве таких систем рациональнее использовать технологии, способные устранить эти проблемы без потерь качества и скорости работы. Все основные принципы таких технологий, как раз реализуются в разрабатываемых LСJC

Научная новизна предлагаемых в проекте решений заключается в решении целого спектра проблем, считающихся априори не устранимыми, которые стремится решить технология контроля старения материалов.
Старение материалов обусловлено по большей части диффузией, хемосорбцией, электромиграцией, рекристаллизацией и увлажнением материалов, различными химическими реакциями и коррозионными процессами, движениями дислокаций и различными термофлуктуационными факторами, которые вызывают самопроизвольно необратимое изменение исходных свойств материалов, из которых изготовлены элементы составляющие систему. Такие негативные изменения легко могут привести к частичному повреждению или полному разрушению элемента, что в итоге вызовет критический отказ всей системы в целом.
Следовательно, понижение уровня характеристик различных материалов и сплавов с течением времени обусловлено их старением. Характер такого снижения характеристик определяется первично заданными свойствами, интенсивностью воздействия внешних факторов, общим напряженным состоянием материала и т.д.
Процессы диффузии необратимы в любом температурном диапазоне. Разумеется, можно весьма сильно уменьшить скорость диффузии путём создания нейтральной криогенной среды вокруг образца, но в долгосрочной перспективе неизбежно будут происходить внутренние деформации, связанные с напряжениями в структуре, которые возникли ещё в процессе изготовления, ведь какой бы материал мы не создавали – он всё равно имеет неоднородности. Флуктуации плотности внутри материала существуют всегда при отверждении и в районе этих неоднородностей концентрируются напряжения (электрические, механические), происходит образование пустот и т.д.
Только уверенное развитие инноваций в этой отрасли способно раскрыть весь потенциал технологии контроля старения материалов, открыть новое поколение технологий в области наноэлектроники и существенно улучшить работоспособность и запас прочности современных электроустройств и электросистем.
Разработка математической модели управления процессом туннелирования в контакте Джозефсона внутри сверхпроводящей цилиндрической трубки однородной структуры является первым важным шагом в этом направлении. Развитие данной идеи ведёт к практическому созданию LСJC и их внедрению в промышленное производство.

Технология контроля старения материалов, реализуемая в LCJC, может решить проблемы с ограниченным временем эксплуатации различных микросхем, электроустройств и т.д., возникающих в следствие необратимости эффектов Киркендалла, Френкеля, диффузии...
Старение материалов является до сих пор очень сложной и нерешённой проблемой, решение которой будет способствовать стабильному функционированию электросистем в долгосрочной перспективе и прогрессу любых исследований, ограничивающихся максимальным сроком эксплуатации используемого оборудования.
Существенные отличительные признаки:
Транзисторы не устойчивы к высоким температурам, которые приводят к нарушениям в их работе и даже полному разрушению - это особенно очевидно, согласно базовым теоретическим основам технологии контроля старения материалов. В то время как LСJC, лишь изредка испытывают джоулеву диссипацию энергии и практически подавляющую часть времени функционируют в сверхпроводящем состоянии абсолютно без потерь. Устойчивость системы LСJC определяется низкой температурой среды (порядка критической температуры используемого сверхпроводника), в которых она работает. В дополнение к этому, сам физический механизм такого элемента позволяет устранить все отрицательные эффекты, которые стремится преодолеть технология контроля старения материалов.
На частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии транзистором стремительно увеличивается, а также транзисторы весьма чувствительны к статическим видам электричества и малоустойчивы к радиации и электромагнитным импульсам. В LСJC реализуется сверхпроводимость, как известно экранирующая сторонние электромагнитные поля, а частота при которой происходит разрушение сверхпроводящего состояния в среднем составляет порядка 110 ГГц, что практически в 75 раз больше соответствующего предела современных транзисторов.

В экономическом плане обслуживание LСJC будет обходится незначительно дороже имеющихся аналогов (например, криотрона или риотрона), что несомненно компенсируется преимуществами, которые даёт их использование. Сама сборка такого элемента с финансовой стороны будет несколько дороже аналогов на первых этапах до тех пор, пока не отладится массовое производство учитывающее все возникающие необходимые технические поправки. Внедрение систем на основе LСJC возможно как в виде отдельных включений важнейших структурных элементов в различные электросистемы, так и практически полная замена классической электросистемы.

Основное преимущество LСJC достигается в величине максимального срока эксплуатации и быстроте отклика. Если обычные полупроводниковые диоды со временем постепенно утрачивают свои свойства и рано или поздно становятся непригодными к использованию, то LCJC условно вечны.

В начале 1970-х исследователи IBM создали модифицированные криотроны, известные как «джозефсоновские переходы». Исследования по ним продолжались до 1980-х годов. А джозефсоновские переходы до сих пор являются краеугольным камнем современных исследований IBM и других компаний в области квантовых вычислений. В настоящее время криотрон лежит в основе проектов IBM по созданию сверхпроводящих кубитов.

Основные задачи в рамках успешного достижения цели:
1) Получить количественное математическое выражение, определяющее распределение поля внутри сверхпроводящей цилиндрической трубки однородной структуры, вследствие протекания тока по ней.
2) Получить количественное математическое выражение, определяющее значение критического магнитного поля сверхпроводящего провода с контактом Джозефсона, источником которого является сверхпроводящая цилиндрическая трубка.
3) Получить количественное математическое выражение, определяющее связь между током в сверхпроводящей цилиндрической трубке и критическим током в сверхпроводящем проводе с контактом Джозефсона.
4) Создание математической протомодели LСJC.
5) Расчёт качественных параметров характеризующих LСJC.
6) Аналитический подбор конкретных материалов гетерогенной системы.
7) Расчёт количественных параметров характеризующих LСJC.
8) Обобщение результатов и утверждение общей математической модели LСJC.
Работа будет проходить поэтапно с использованием сразу нескольких теорий сверхпроводимости для более полного и точного итогового результата.
Итоговым результатом является адекватная жизнеспособная математическая модель LСJC.

Научные публикации раскрывающие тему исследования:
1) Спицын А.О. Закономерности туннелирования в технологиях контроля
старения материалов и биохимической эволюции // Научный альманах. 2020. N
12-2(74). С. 64-70.
2) Спицын. А.О. Основные механизмы технологии контроля старения материалов с помощью эффекта туннелирования // Материалы XIII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум», 2021.
3) Спицын А. О. Технология контроля старения материалов в сверхпроводящем
состоянии // Журнал технических исследований . 2021 №. 1 С. 33-44.
4) Сатлер О. Н., Спицын А. О. Механизм пиннинга в технологии контроля
старения материалов // Журнал технических исследований. 2021 №. 2 С. 53-
65
5) Spitsyn A.O. Basic principles of pinning in materials aging control technology
// Science Almanac. 2022. N 4-2(90). P. 80-88.
6) Аверин Г. В., Спицын А. О., Шевцова М. В. 2023. Теоретический анализ работы джозефсоновских криотронов. Прикладная математика & Физика, 55(2): 166–175.

На страницу проекта