08.12.2011
Josephsonkontakte im Zustand V>0 (ac-Josephson Effekt) sind elektrisch gepumpte und mit der Spannung durchstimmbare Hochfrequenzoszillatoren (0,4836 THz/mV). Die auskoppelbare Strahlungsleistung eines einzelnen Josephsonkontaktes ist jedoch sehr gering (im Bereich nW). Dies stellt das Haupthindernis für praktische Anwendungen dar. Dieses Problem kann überwunden werden, wenn es gelingt, große Serienschaltungen geeigneter Josephsonkontakte zu synchronisieren und die Anpassung an die Impedanz des freien Raums zu verbessern. Dielektrische Resonatorantennen, bereits umfassend für moderne Wireless-Technik untersucht, sind für Hochfrequenzanwendungen sehr geeignet, da sie Verluste durch Hochfrequenzströme vermeiden. Im Rahmen einer Kooperation mit dem FZ Jülich und dem IPM RAS in Nizhny Novgorod wurde gezeigt, dass resonante Moden in den von der PTB für Josephsonschaltungen verwendeten dielektrischen Si-Substraten geeignet sind, Josephsonkontakte in einer großen Serienschaltung (mehrere Tausend Kontakte) zu synchronisieren. Bei einem geeigneten Design der Serienschaltung sammelt das Substrat die von den Josephsonkontakten emittierte Strahlung und verbessert die Kopplung zu einem externen quasi-optischen Resonator. Aus diesem auf 4,2 K gekühlten Resonator, bestehend aus Planspiegel, Si-Substrat mit Serienschaltung und Hornantenne (anstelle eines hemisphärischen Spiegels), wird mittels eines Hohlleiters (Typ: oversized) die erzeugte Strahlung ausgekoppelt und einem auf Zimmertemperatur befindlichen Superheterodyn-Radiometer zur Auswertung zugeführt. Auf diese Weise wurde Josephson-Strahlung bis 0,25 THz nachgewiesen, wobei das Maximum von ca. 7 µW (Rekordwert bei Zimmertemperatur) bei 0,15 THz beobachtet wurde. Eine Steigerung dieser Leistung auch in einem noch erheblich höheren Frequenzbereich erscheint sehr aussichtsreich, da eine weitere Optimierung des Substratmaterials und der charakteristischen Frequenz der Josephson-Tunnelelemente möglich ist. Einer Anwendung als Lokaloszillator z. B. für “Hot Electron Bolometer“, die für astronomische Untersuchungen nahe am Quantenlimit arbeiten, steht dann nichts mehr im Wege. Die verwendeten Serienschaltungen von Nb-Josephsonkontakten mit NbxSi1-x-Tunnelbarrieren wurden vollständig von der PTB hergestellt, die entsprechenden Untersuchungen und theoretischen Simulationen für das Design erfolgten zunächst in Jülich und später in Nizhny Novgorod [1].
[1] F. Song, F. Müller, T. Scheller, A. Semenov, M. He, L. Fang, H.-W. Hübers und A. M. Klushin, Appl. Phys. Lett. 98, 142506 (2011)
Ansprechpartner: F. Müller
Fachbereich 2.4 : Quantenelektronik