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Al/AlOx/Al-Josephson-Kontakt-basierter Mikrowellengenerator für die Anwendungen in Einzelelektronentunnel-Experimenten unterhalb von 100 mK

27.11.2014

Ein flexibel einstellbarer Dünnschicht-Mikrowellen-Generator wurde entworfen und hergestellt für den Einsatz bei T < 100 mK zum Kalibrieren von Einzelphotonen-Detektoren im Mikrowellenbereich 110 GHz bis 170 GHz. Die vorhandene Mikrowellen-Emissionsleistung von ca. 1 pW sollte ausreichend sein für ein Test- und Kalibriersignal, mit dem die Detektion von 0,01 bis 10 Mikrowellen-Photonen pro Sekunde untersucht werden kann. Diese Werte wurden für einen realistischen Schaltungsentwurf abgeschätzt, bei dem die beiden wesentlichen Komponenten, die Photonen-Quelle und die Einzelelektronen-Falle als Photonen-Detektor, auf demselben Substrat in ca. 1 mm Abstand angeordnet sind.

 

Für die Optimierung des Betriebs des Mikrowellen-Generators als quasi-monochromatische Quelle wurde eine theoretische Analyse im Rahmen eines Tunnel-Kontakt basierten mikroskopischen Modells (TJM) durchgeführt. Mit Hilfe dieses Modells konnten die Schwingungsamplitude und die Oszillations-Bandbreite gegenüber dem einfachen RSJ-Model für Josephson-Kontakte mit deutlich verbesserter Genauigkeit bestimmt werden.

 

Experimentell wurde eine sog. Interferometer-Schaltung mit zwei parallel geschalteten Josephson-Kontakten aus aufgedampftem Aluminium realisiert, die durch ein kompaktes on-chip Netzwerk aus vier teilweise oxidierten Titan-Dünnschichtwiderständen an die externe Messelektronik angeschlossen wird. Die untersuchten Strom-Spannungskennlinien zeigen  bei einer Temperatur von 15 mK einen Verlauf, der auf Mikrowellen-Emission im gesuchten Frequenzbereich hindeutet. Durch Einstellen einer Bias-Spannung V und Anlegen eines Magnetfeldes B an die Interferometer-Schleife lassen sich die Josephsonfrequenz,  fJ = 2eV/h, und die Amplitude des Generators fein justieren. Für die entwickelte Generatorschaltung erwarten wir unseren Schätzungen zufolge eine für den Einsatzzweck ausreichend schmale Bandbreite (wenige GHz) und ein niedriges Niveau der thermischen Hintergrundstrahlung im Mikrowellen Bereich.

 

 

Bild 1: Schwingungsamplitude des Josephson-Generators als Funktion der Frequenz und des durch ein externes Magnetfeld einstellbaren Suprastroms der Interferometer-Schaltung (Abschätzung anhand experimentell ermittelter Parameter eines Josephson-Generators).

 

 

Ansprechpartner: S. Lotkhov
Fachbereich 2.4: Quantenelektronik