08.12.2011
Supraleitende Resonatoren hoher Güte sind nützliche Werkzeuge in vielen Anwendungsbereichen der Festkörperphysik und der Quanteninformation, zum Beispiel bei Mikrowellenkomponenten von kinetischen Induktivitäts-Detektoren, supraleitenden Qubits und Quantenelektrodynamik-Schaltungen. Im Hinblick auf derartige Anwendungen wurden verschiedene On-Chip-Mikrowellenkomponenten, wie supraleitende Koplanar-Wellenleiter (CPW) -Resonatoren und LC-Resonatoren hoher Güte, entwickelt und mit Nb-Filmen (Schichtdicke: 200 nm) auf thermisch oxidierten Siliziumsubstraten (Widerstand 1-20 Ohm/cm2, SiO2 Schichtdicke 300 nm) realisiert (s. Bild 1). Die Strukturen wurden bei Temperaturen des flüssigen Heliums experimentell untersucht. Für eine Optimierung wurden die Entwürfe der beiden Resonatortypen mit elektromagnetischer 3D-Hochfrequenz-Analysesoftware (Sonnet) modelliert, wobei Resonanzfrequenzen zwischen 2 GHz und 6 GHz angestrebt wurden. Der bei
T = 4,2 K experimentell bestimmte Gütefaktor Q der CPW-Resonatoren erreichte für die kleinsten Koppelkapazitäten von einigen fF einen Wert von 26100 (s. Bild 2), was die hohe Güte der produzierten Nb-Filme belegt. Der Wert von Q wurde durch CPW-Resonatoren mit verschiedenen Koppelkapazitäten kontrolliert. Außer der Basis-Resonanzfrequenz f = λ/2 des CPW-Resonators wurden auch mehrere höhere Oberschwingungen identifiziert und gemessen. Darüber hinaus wurden auch LC-Resonatoren hergestellt, die aus einer an die Transmissionsleitung gekoppelten mäanderförmigen Induktivität (einige nH) und einem interdigitalen Kondensator (einige pF) bestehen. Es gelang, mehrere LC-Resonatoren mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, die mit der gleichen Leitung verbunden sind, gleichzeitig zu messen. Die Integration nicht-linearer Elemente, beispielsweise Josephsonkontakte oder SQUIDs, in diese supraleitenden Resonatoren sollte einen Betrieb im Bifurkations-Regime ermöglichen und somit Messungen von Signalen sehr niedriger Leistung mit hoher Empfindlichkeit erlauben.
Bild 1:
Layout des an eine Transmissionsleitung gekoppelten LC-Resonators bestehend aus mäanderförmiger Induktivität und interdigitaler Kapazität.
Bild 2:
S-Parameter des 50 Ω CPW-Resonators. Die Resonanzfrequenz beträgt f = 2.37842754 GHz, die Güte Q = 26100.
Ansprechpartner: M. Khabipov
Fachbereich 2.4 : Quantenelektronik