约瑟夫森结阵列的相位锁定和时空混沌特性研究

约瑟夫森结具有重要的研究价值和十分广泛的应用领域，它不但具有极高的工作频率，而且具有高度的非线性。目前，对约瑟夫森结阵列特性和应用的研究受到了广泛关注，项目将采用理论分析、数值仿真和实验相结合的方法，研究约瑟夫森结阵列的相位锁定和时空混沌行为。相位锁定特性是利用约瑟夫森结阵列制备毫米波源的核心问题，而混沌行为是目前非线性科学中的热点，两者同时存在于约瑟夫森结阵列之中。本项目将研究并联负载电阻和嵌入毫米波谐振腔两种不同情况下约瑟夫森结阵列相位锁定规律，提出新的毫米波电磁场耦合情况下的结阵列动力学方程，在实验上观察到明显的相干毫米波辐射；混沌行为方面将研究本征约瑟夫森结阵列中的时空混沌行为，给出存在混沌行为的参数范围，并提出实际上可行的混沌行为控制方法，并对混沌行为在保密通信中的应用开展探索性研究。

作为超导电子技术的基础，约瑟夫森结具有一系列优异的性能，如：灵敏度高，噪声低，功耗小，响应速度快，工作频率极高等。因此约瑟夫森结及结型器件具有重要的研究和应用价值。目前，利用低温或者高温超导约瑟夫森结可以实现混频、太赫兹信号产生及检测、高精度电压标准和超高速数字电路等。本项目通过理论分析、数值仿真和实验的方法对约瑟夫森结阵列的相位锁定和混沌行为及其应用进行了较为系统的研究，同时探索高温超导本征约瑟夫森结的辐照和辐射特性。项目主要内容和研究结果如下：.建立了约瑟夫森结在电路仿真软件PSpice中的电阻－电容并联模型（RCSL），对电阻并联约瑟夫森结阵列的混沌行为进行了研究，在没有对动力学方程进行近似处理的条件下，发现当存在3个约瑟夫森结时同样会出现明显的混沌行为。采用负载并联的方法研究了串联约瑟夫森结阵列的相位锁定和毫米波辐射特性。将串联双晶约瑟夫森结阵列嵌入法布里-帕罗特谐振腔，成功实现结阵列的相位锁定。在74 GHz频率附近和液氮温度下，成功观测到了源自536个结阵列的毫米波辐射，并且研究了直流偏置电压与自辐射频率关系。.研究了电容耦合的本征约瑟夫森结阵列的时空混沌行为，并给出了时空行为发展图以及存在混沌的参数空间。在倾斜角度20度的斜切铝酸镧基片上外延生长了铊系超导薄膜，用该薄膜制作了高温超导本征约瑟夫森结阵列。利用介质谐振天线，首次在液氮温区从薄膜本征结阵列中实现了频谱较窄的毫米波辐射。提出适合约瑟夫森结及阵列的混沌同步方法，在实现混沌行为同步的基础上，采用混沌调制方式，设计并验证了适合约瑟夫森结混沌行为的保密通信模型。