Wirtschaft

Quantenzustände reagieren unvorstellbar empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Um festkörperbasierte Quantenbits mit der "äußeren Welt" zu verbinden, bieten sich Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logikschaltungen als effizientes Interface zur Quanteninformationsverarbeitung zwischen den Quanten- und klassischen Bereichen supraleitender Qubit-Schaltungsarchitekturen an. Die Integration von Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen und Josephson-Qubits erfordert die Implementierung der RSFQ-Logik mit nicht-standardmäßig verwendeten Parametern. Es wurden neuartige Schaltungsstrukturen entwickelt und realisiert, die in integrierten RSFQ-Qubit-Schaltungsanwendungen die Kontrolle und Manipulation von Quantenzuständen in Flux-Qubits gestatten. Die Gesamtschaltungen wurden an der PTB nach Design entwickelt und auf Rauscharmut optimiert. Sie wurden mit der Nb/Al-AlxOy/Nb SIS (S: Supraleiter, I: Isolator) Trilayer-Technologie mit extern...

Ein Vorschlag zur Erzeugung hochgenauer Wechselspannungen sowie Spannungen beliebiger Wellenformen basiert auf überdämpften Josephson-Kontakten, die mit einer Folge von Pulsen anstelle einer Mikrowelle mit fester Frequenz betrieben werden. Die Ausgangsspannung dieses Josephson Arbitrary Waveform Synthesizers (JAWS) ergibt sich aus der Folge der einzelnen Pulse. Eine wesentliche Komponente des Synthesizers sind geeignete Josephson-Schaltungen. Die Schaltung und der gesamte Messaufbau müssen möglichst breitbandig für Frequenzen von DC bis ca. 25 GHz ausgelegt sein, um den einwandfreien Betrieb mit Pulsen zu gewährleisten.
Ein relativ einfacher Betrieb des JAWS wird durch kompakte Schaltungen ermöglicht, die kurz gegenüber den typischen Wellenlängen der eingestrahlten Pulsfolge sind. Um hohe Ausgangsspannungen erzeugen zu können, müssen in der zur Verfügung stehenden Länge von typischerweise 1,5 mm möglichst viele Josephson-Kontakte...

Zunehmendes Interesse an hochgenauen AC-Spannungen hat zu verschiedenen Entwicklungen geführt, Messsysteme auf der Basis von Josephson-Reihenschaltungen auch für diese Anwendungen einzusetzen. Reihenschaltungen aus überdämpften Josephson-Kontakten mit einer binären Teilung für Spannungen bis 1 V werden bereits für verschiedene Anwendungen im Frequenzbereich bis etwa 1 kHz eingesetzt. Zur weiteren Reduzierung der relativen Messunsicherheiten ist die Erhöhung der Ausgangsspannung auf 10 V notwendig. Hierfür muss die Anzahl der Josephson-Kontakte von 8192 bei 1-V-Schaltungen auf etwa 70.000 erhöht werden, wenn die Schaltungen bei einer Mikrowellen-Frequenz um 70 GHz betrieben werden. In zwei unterschiedlichen Designvarianten sind die Kontakte in 64 bzw. 128 parallelen Mikrowellen-Ketten mit einer quasi-binären Teilung integriert.
Trotz der gewaltigen technologischen Herausforderungen aufgrund der großen Zahl von Kontakten konnten nun...

Supraleitende Schaltkreise, die auf kleinen Josephson-Tunnelkontakten und dem Tunneln einzelner Cooper-Paare basieren, sind viel versprechende Kandidaten für gezielt manipulierbare quantenmechanische Zweizustands-Systeme, so genannte Quantenbits (Qubits). Ihre Wirkungsweise als Qubit beruht auf der kohärenten Superposition von makroskopischen Quantenzuständen, wobei allerdings das Tunneln ungepaarter Elektronen stochastisch und instantan den Ladungszustand und damit den Arbeitspunkt des Qubits ändert. Überdies ist diese so genannte Quasiteilchen-Vergiftung eine Ursache der Dekohärenz des Qubits. Wir haben Quasiteilchen-Übergänge in einem so genannten Ladungs-Phasen Qubit [1] untersucht, das als Aluminium-Bloch Transistor in einer supraleitenden Spule eingebettet ist. Das Ladungs-Phasen Quantenbit besteht aus einer supraleitenden Schleife, die durch zwei Josephson-Kontakte mit einer dazwischen liegenden kleinen Insel, einen so genannten...

Untersucht werden die elektrischen Transporteigenschaften eines langen Josephson-Junction-Arrays mit kleinen Al/AlOx/Al-Tunnelkontakten (Bild 1), das mit hochohmigen Chrom(Cr)-Vorwiderständen gebiast ist. Die bei tiefen Temperaturen gemessenen Strom-Spannungskennlinien (Bild 2) zeigen einen Bereich im negativen differentiellen Widerstand, der auf die Anwesenheit und Dominanz der so genannten Bloch-Oszillationen hindeutet. Aufgrund des fundamentalen Strom-Frequenz-Verhältnisses I = 2ef könnten solche Oszillationen für den Aufbau einer quantisierten Stromquelle metrologisch relevant sein. Im Vergleich zu einzelnen Tunnelkontakten [Kuzmin und Haviland, PRL 67, 2890 (1991)] sind in langen Reihenschaltungen wesentlich größere Oszillationsamplituden der Spannung und ein ähnlich breiter Frequenzbereich von bis zu einigen GHz zu erwarten. Von der physikalischen Aufgabenstellung führt die Reihenschaltung der kleinen Josephson-Tunnelkontakte zu...

In Zusammenarbeit mit der Universität Göttingen wurden die magnetischen Eigenschaften von lithographisch hergestellten hartmagnetischen CoPt-Quadraten untersucht, die in eine weichmagnetische Permalloy-Matrix eingebettet sind. Solche künstlichen Zweiphasenmagnete sind ein Modellsystem für eine Vielzahl technologisch interessanter mehrphasiger magnetischer Materialien und bieten die Möglichkeit, die magnetischen Eigenschaften gezielt zu beeinflussen. Mit magnetkraftmikroskopischen und magnetooptischen Abbildungstechniken wurde eine langreichweitig geordnete Domänenstruktur in der Permalloy-Matrix beobachtet.
Mehrphasige nanostrukturierte Materialien sind aufgrund ihrer technologischen Bedeutung gegenwärtig Gegenstand intensiver Forschung. Sie werden z.B. für die Herstellung hochdichter magnetischer Speichermedien diskutiert. Mit zunehmender Dichte der Strukturen gewinnt die magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Strukturelementen an...

Mit dem Ziel die Integrationsdichte von parallelgeschalteten Quanten-Hall-Widerstandsnormalen zu erhöhen, wurden erste Tests an speziellen Halbleiterproben vorgenommen, die zwei übereinander liegende elektrische Transportkanäle enthalten.
Die Einheit des elektrischen Widerstandes, Ohm (Ω), wird mit Hilfe eines makroskopischen Quanteneffektes, des Quanten-Hall-Effekts, reproduziert. An einer einzelnen Halbleiterprobe gemessen, kann damit ein fester, durch die von-Klitzing-Konstante (≈ 25,8 kΩ) vorgegebener Widerstandswert mit höchster Präzision realisiert werden. Fast beliebige Widerstandswerte, in der Praxis zwischen 100 Ω und 1 MΩ, lassen sich mit integrierten Reihen- und Parallelschaltungen solcher Quanten-Hall-Proben erzeugen. Dabei stößt man aber an technologische Grenzen, weil einerseits die gesamte Fläche des Halbleiterchips nicht beliebig groß und andererseits die einzelnen Quanten-Hall-Elemente nicht beliebig klein gewählt werden...

Die Erzeugung von Strömen in Halbleiterstrukturen unter Verwendung von rein optischen Methoden hat in den letzten Jahren viel Beachtung gefunden. Dies liegt insbesondere daran, dass mit solchen Techniken relativ einfach spin-polarisierte Ströme und reine Spinströme erzeugt werden können, was eine Grundvoraussetzung für das neue Forschungsgebiet der Spintronik ist. Im einfachsten Fall werden hierzu spezielle Halbleiterstrukturen mit einem optischen Strahl resonant angeregt und der Strom wird durch nichtlineare optische Effekte höherer Ordnung injiziert. Durch Änderung der Polarisation des Anregungsstrahls ist es möglich, die Ströme abzuschalten bzw. sogar umzukehren.
Die Untersuchung von rein-optisch generierten Strömen basierte bisher nur auf der Anregung von freien Elektron-Loch Paaren. In der PTB ist es nun gelungen, solche Ströme durch Anregung von speziellen Resonanzübergängen, so genannten Exzitonen, zu erzeugen. Im Gegensatz zu...

Die aktuelle Weiterentwicklung der binär geteilten 10 V Josephson Reihenschaltungen mit etwa 70000 Kontakten hat zu einer deutlichen Verbesserung der Arbeitsparameter geführt. Mit der erreichten Stufenbreite von 0,6 mA (siehe Nachricht "Programmierbare 10-V-SINIS-Schaltungen für AC-Anwendungen") sind die Schaltungen jetzt für die Wechselspannungssynthese und -messung auch bei höheren Spannungen hervorragend geeignet. Eine synthetisierte Sinuskurve einer Frequenz 16 Hz mit 32 Stützwerten pro Periode und einer Amplitude von 10 Volt ist in Bild 1 gezeigt.

Bild 1: Synthetisierte Sinuswelle

Angesteuert werden die 10 V-Schaltungen mit einer am NPL (Großbritannien) entwickelten schnellen Stromquelle. Sie musste für diesen Einsatzzweck modifiziert werden, da die maximale Ausgangsspannung der einzelnen NPL Kanalmodule auf 2.6 V begrenzt ist. Eine in der PTB entwickelte kompakte Verstärkerschaltung erlaubt es, die Ausgangsspannung eines Moduls...

Innerhalb eines speziellen Projektes (iMERA Quickstart) ist in Kooperation mit den Metrologieinstituten Frankreichs und Großbritanniens, LNE und NPL, eine Echtzeit-Kontrolleinheit entwickelt worden, die das Verfolgen beliebiger Spannungen quantengenau innerhalb von etwa 100 µs erlaubt. Damit kann die Spannungsrampe von etwa 1 V/s, die in der dynamischen Phase eines Wattwaagen-Experiments auftritt, mit hoher Präzision verfolgt werden (s. Bild 1).
Ein unter Linux eingerichteter Computer steuert dabei die Stromquelle zur Ansteuerung der Josephson-Schaltung in Echtzeit. Die Stromquelle ist speziell für binäre Josephson-Schaltungen entwickelt worden. Sie besitzt einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU), dessen gemessene Spannung direkt in den entsprechenden digitalen Code für die Josephson-Schaltung umgerechnet wird. Mit der Taktrate von 10 kHz wird nun die am ADU gemessene Spannung mit der Josephson-Spannung kompensiert. Die differentielle...