en fr Joule-effect Microwave Dissipation in High Temperature Superconductors Dissipation par effet Joule en régime hyperfréquence dans les supraconducteurs à haute température critique Report as inadecuate




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1 LSI - UMR 7642 - Laboratoire des Solides Irradiés 2 UMP CNRS-THALES - Unité mixte de physique CNRS-Thalès

Abstract : This work treats a subject of interest to both fundamental and applied physics. The strategy of the work is to use high temperature superconducting materials HTSC, destined for applications in microwave telecommunications devices, as well as the device prototypes themselves, as samples in fundamental studies on microwave power dissipation in superconductors. In this manner, we could progress in the understanding of the nonlinear response of superconductors in that part of the electromagnetic spectrum relevant for telecommunications, and, at the same time, develop strategies for the improvement of the devices. In effect, the energy dissipation in superconductors leads to the degradation of the device quality factor when one is dealing with filters or resonators, and the severe limitation of the number of telecommunications channels that can benefit from a given bandwidth. The degradation of the qualtity factor of YBa2Cu3O7 thin film superconducting filters when these are exposed to the high intensity electromagnetic fields used in telecommunications GDM, UMTS,

. is due to the increase, with microwave power, of the surface resistance, a phenomenon for which a great many explanations have been proposed : excitation of quasi-particles by the rf field, hysteretic losses due to the motiuon of quantized magnetic flux vortices, the penetration of the rf magnetic field through grain boundaries in the film, and, last but not least, local heating of the film. Using the measurement of the resonant frequency of the same TiO2 tutile resonator placed on top of the YBa2Cu3O7 film under study, and thereby, that of the dielectric constant of the the resonator, it is shown that in the frequency range around 10 GHz, it is the local heating of the superconducting film by the time-varying electromagnetic field, and the ensuing temperature rise, that is responsible for all the observed nonlinearities. No intrinsic nonilnear response of the superconducting film therefore comes into play. Joule heating, together with the correct appraisal of the hat link to the bath, allows one to account for all the nonlinear phenomena. This result opens the path foir new strategies for the improvement of HTSC thin film-based devices. Where linear losses are due to nanometer-scale oscillations of flux lines present due to Earth-s magnetic field, the inclusion of nanometric holes or second phase precipitates will have a benificial effect. In all other cases, magnetic screening of the device imposes itself. If the losses are due to the non-conventionnal nature of the superconducting order parameter and quasi-particle excitation close to the nodal directions of the superconducting gap, one is faced with a more fundamental problem. An extension of this study is concerned with superconducting planar resonators. The characterization of a series of YBa2Cu3O7 resonators with eigenfrequencies between 500 MHz and 12 GHz shows that in this case, too, the device performance was limited by heating of the superconductin g thin film. In order to demonstrate this effect, a technique is developped where a dielectric resonator rutile phase TiO2 is placed on top of the YBa2Cu3O7 reosnator in order to measure the latter-s temperature. The YBa2Cu3O7 and TiO2 resonance frequencies are measured using two distinct network analyzers, operating in widely different frequency ranges. By modelling, as well as by the application of the magneto-optical imaging technique for the visualisation of magnetic flux penetration in the superconducting resonator, it is shown that heating is most pronounced close to the acute corners of the device, where the flux dnesity as well as the rf current density are exacerbated. A second version of the YBa2Cu3O7 resonator device, in which all acute corners are replaced with smooth rounded corners has allowed for a tenfold improvement of the power range in which the reonator can be applied. This improvement has allowed the device to be included in an application for the French Directorate General for Armement; a patent is to be deposited.

Résumé : Ces travaux portent sur un sujet d-intérêt commun à la physique fondamentale et à la physique appliquée. La stratégie du travail est d-utiliser les matériaux supraconducteurs à haute température critique SHTc, destinés à une application dans des dispositifs pour la télécommunication, ainsi que les prototypes eux-mêmes de ces dispositifs, en tant qu-échantillons dans des études fondamentales portant sur la dissipation dans le régime des hyperfréquences hf. On a ainsi pu avancer dans la compréhension du comportement non-linéaire des supraconducteurs dans cette partie du spectre électromagnétique, et, en même temps, développer des stratégies pour l-amélioration des dispositifs. En effet, la dissipation énergétique dans les supraconducteurs entraîne une dégradation du facteur de qualité lorsqu-il s-agit de filtres ou de résonateurs, et une sévère limitation du nombre de canaux de communication que l-on puisse utiliser dans une certaine bande passante. La dégradation du facteur de qualité de filtres supraconducteurs en YBa2Cu3O7 lorsque ceux-ci sont exposés aux champs électromagnétiques de grande amplitude utilisé dans les télécommunications GSM, UMTS,

. est due à l-augmentation avec la puissance de la résistance de surface, phénomène pour lequel pléthore d-explications tentatives ont été proposés dans le passé : excitation de quasi-particules par le champ hf, pertes hystérétiques à cause du mouvement des lignes de flux quantifiés, pénétration du flux magnétique hf par de joints de grains, et, enfin, chauffage local de la couche supraconductrice. En utilisant la mesure in-situ de la fréquence de résonance, et par delà, de la constante diélectrique du même résonateur en TiO2 posé sur la couche en YBa2Cu3O7 pour mesurer la résistance de surface, il est montré que dans la plage autour de 10 GHz, c-est l-échauffement local de la couche supraconductrice par le champ électromagnétique hf, et l-augmentation en température qui s-en suit, qui est responsable pour toute non-linéarité observée. Il n-y a donc pas de non-linéarités intrinsèques au supraconducteur qui jouent un rôle : seule la dissipation linéaire et l-effet Joule, avec la prise en compte correcte de la thermique de la couche supraconductrice, permettent de rendre compte des phénomènes. Ce résultat ouvre la voie à de nouvelles stratégies pour l-amélioration de dispositifs hf basés sur des supraconducteurs à haute Tc. Là où les pertes linéaires sont dues aux oscillations nanométrique de lignes de flux présents du à la présence du champ terrestre, l-inclusion d-ouvertures de la taille de quelque dizaine de nm dans la couche pourrait avoir un effet bénéfique. Par ailleurs, un blindage de tout dispositif s-impose. Là ou les pertes sont dues à la nature non-conventionelle de la supraconductivité et l-excitations de quasi-particules proche des nœuds de la bande interdite, on bute sur un problème fondamental. Une extension de cette étude porte sur les résonateurs planaires supraconducteurs. La caractérisation d-une série de résonateurs en YBa2Cu3O7 avec des fréquences propres allant de 500 GHz à 12 GHz montre que dans ce cas aussi, les performances des dispositifs étaient limités par l-échauffement de la couche supraconductrice. A fins de démonstration, une technique est développée ou on utilise un résonateur diélectrique en TiO2 dans la phase rutile posé sur le résonateur en YBa2Cu3O7 pour mesurer la température locale du dernier. La résonance de l-YBa2Cu3O7 et du TiO2 sont mesurés à l-aide de deux analyseurs de réseau, fonctionnant dans des plages de fréquence distinctes. Par la modélisation, comme par l-application de la méthode magnéto-optique pour la visualisation directe de la pénétration du flux magnétique dans le résonateur supraconducteur, il est montré que cet échauffement a lieu proche des coins aigus du dispositif, ou la densité de flux et du courant d-écrantage sont exacerbés. Une deuxième version des résonateurs YBa2Cu3O7 où les coins aigus sont éliminés au profit de coins arrondis à permis une amélioration d-un facteur dix de la plage de puissance ou le dispositif peut être utilisé. Cette amélioration a d-ores et déjà été incluse dans une application pour la DGA, et un brevet devrait être déposé.

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Keywords : superconductivity high-temperature superconductivity thin-films microwaves dissipation resonator filter telecommunications surface resistance vortex quasi-particles nonlinarity Joule heating

Mots-clés : résonateur filtre résistance de surface non-linéarité effet Joule supraconductivité à haute température critique couches-minces hyperfréquence supraconductivité





Author: Julien Kermorvant -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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