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Al/AlOx/Al-SQUID-Reihenschaltung als on-chip Mikrowellenfilter gegen Einzelquanten-Streufelder bei mK-Temperaturen

28.11.2016

Ein hocheffizienter on-chip Mikrowellenfilter wurde für den Einsatz in Einzelquanten-Schaltungen bei T ~ 100 mK entwickelt. Der Filter besteht aus einer Reihenschaltung mit bis zu 40 Josephson-Interferometern (sog. "SQUIDs") und zeichnet sich durch einen variablen, frequenzabhängigen Unterdrückungsfaktor γ ~ 101…104 für Photonen-Streufelder im Frequenzbereich f ~ 100 GHz bis 200 GHz aus.

 

 

 

Die Unterdrückung des durch Mikrowellenphotonen verursachten Ladungsrauschens bei tiefen Temperaturen ist von entscheidender Bedeutung für die Zuverlässigkeit von Einzelelektronenschaltungen. Im Rahmen des Projekts "Microphoton" im EMRP-Förderprogramm wurde in Kooperation zwischen Forschergruppen der PTB und des MIKES (Finnland) ein Mikrowellenfilter auf der Basis einer SQUID-Reihenschaltung aufgebaut und untersucht.

 

Die Herstellung erfolgte auf der Basis der Al/AlOx/Al-Tunnelkontakt Schrägbedampfungs-Technologie im Reinraumzentrum der PTB. Die Tieftemperatur Vorcharakterisierung fand in einem Mischungskryostaten der PTB statt. Eine wichtige Rolle spielte dabei die Möglichkeit einer milden in-situ Oxidation von Aluminium. Dadurch wurde eine sehr transparente Tunnelbarriere und damit eine hohe Plasmafrequenz der Josephson-Kontakte in den SQUIDs erzielt. Bild 1 zeigt eine REM-Aufnahme des experimentellen Layouts mit gekennzeichneten Schaltungskomponenten.

 

Die eigentlichen Messungen wurden in einem aufwendig signalgefilterten und doppelt-abgeschirmten Probenraum innerhalb eines mK-Kryostaten beim MIKES durchgeführt. Demonstriert wurde eine effiziente Rauschunterdrückung auf dem Signalstärke-Niveau einzelner Mikrowellenphotonen aus dem elektromagnetischen Hintergrund. Die Mikrowellen-Resteinstrahlung wurde mithilfe des ebenfalls in der PTB entwickelten Einzelphotonen-Trap-Detektors detektiert, dessen Funktion auf dem photonenunterstützten Einzelelektronen-Tunneleffekt beruht. Dank der Realisierung des Filters als Josephson-Interferometer eröffnet sich die Möglichkeit, mittels SQUID-Modulation des Josephson-Suprastroms durch ein angelegtes Magnetfeld den Unterdrückungsfaktor in einem weiten Bereich über mehrere Größenordnungen zu variieren. Das Bild 2 zeigt einen Ausschnitt der periodischen Abhängigkeit der Haltezeit der Einzelelektronen-Falle (Trap) vom Magnetfeld für unterschiedliche Höhen der ebenso variablen Detektionsschwelle E (Coulomb-Barriere der Trap). Auf diesem Wege ergibt sich das Funktionsprinzip der Trap als eine Einzelphotonen-Spektrometer-Schaltung. Trotz sehr hoher Photonen-Frequenzen von über 100 GHz, im Bereich oberhalb der Energielücke des supraleitenden Aluminiums ΔAl/h, wurde eine gute Übereinstimmung erreicht zwischen den Messergebnissen und Berechnungen anhand des klassischen Mikrowellenleiter-Models für die SQUID-Reihenschaltung.

 

Testschaltung zur Mikrowellen-Detektion on-chip

Bild 1: REM Aufnahme der Testschaltung zur Mikrowellen-Detektion on-chip. Links auf dem Bild: ein Fragment einer SQUID-Reihenschaltung. Rechts: Einzelelektronen-Falle (Trap) als Photonen-Detektor, bestehend aus einer Doppelkontakt-Elektronenfalle (oben) und einem elektrometrischen Elektronenzähler (unten rechts).

 

 Haltezeit in einer SET-Falle in Abhängigkeit vom Magnetfeld

Bild 2: Haltezeit in einer SET-Falle in Abhängigkeit vom Magnetfeld in den SQUIDs für unterschiedliche Detektionsschwellen (von unten nach oben): E/h = 109, 117, 128, 150, 161 GHz. Symbole: Experiment bei T = 32 mK, Linien: Kalkulation nach dem klassischen Wellenleiter-Model.