28.11.2016
Für das in diesem Jahr gestartete Projekt "elektronisches Kelvin" wurden Designs für geeignete Josephson-Schaltungen konzipiert und daraus mehrere Layouts erstellt. Erste Schaltungen wurden gefertigt und können demnächst charakterisiert werden. Mit bereits vorhandenen Schaltungen älteren Designs wurden exemplarisch Wellenformen synthetisiert, die eine synthetische Rauschspannung repräsentieren.
Die Johnson-Noise Thermometrie (JNT) bietet die Möglichkeit, über eine direkte Rückführung der Spannungsmessung auf ein pulsgetriebenes Quanten-Rauschsignal ein "elektronisches Kelvin" und somit einen primären Temperaturstandard zu realisieren. Das pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormal ermöglicht die Erzeugung spektral reiner, beliebiger Wellenformen (Josephson Arbitrary Waveform Synthesiser, JAWS).
Insbesondere kann ein JAWS auch als Quanten-Rauschquelle eingesetzt werden. Ein erstes Design-Konzept und mehrere Schaltungslayouts wurden erstellt. Die Layouts wurden mit unterschiedlicher Kontaktanzahl (2 bis 6 Kontakte) und für verschiedene Schaltungskonzepte realisiert (Bild 1). Aus Symmetriegründen sind für die späteren Messungen stets 2 Schaltungen pro Chip integriert und on-chip elektrisch miteinander verbunden. Auch größere Serienschaltungen (450 Kontakte) wurden zur leichteren Analyse der Eignung der neuen Designs erstellt.
Wesentliche Komponente der JAWS-Schaltungen sind Ketten aus SNS-Josephson-Kontakten (SNS: Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter), die im Reinraumzentrum der PTB aus Niob mit Barrieren aus NbxSi1-x in einem Fenster-Prozess hergestellt werden. Die ersten JNT-JAWS Schaltungen stehen somit zur Analyse bereit. Dem neuen Chiplayout entsprechend, wurden auch die HF-Chipcarrier selbst neu konzipiert, und sie werden gegenwärtig hergestellt.
Unabhängig davon wurden bereits exemplarisch komplexe Multiton-Wellenformen, die mit Hilfe einer Sigma-Delta Simulation höherer Ordnung erstellt wurden, mit bereits vorhandenen JAWS Schaltungen herkömmlichen Designs getestet. Um das natürliche Rauschsignal mit weißem Spektrum zu erzeugen, wurde mit einer JAWS Schaltung aus 100 Josephson-Kontakten ein Frequenzkamm mit 1000 Tönen gleicher Amplitude mit einem Abstand von 1 kHz im Frequenzbereich von 1 kHz bis 1 MHz synthetisiert (Bild 2).
Bild 1: Beispiel eines Layouts für einen JNT-JAWS Chip mit 2 Josephson-Kontakten pro Schaltung.
Bild 2: Frequenz-Darstellung einer synthetisierten Multiton-Wellenform mit 1000 Tönen mit einem Frequenzabstand von 1 kHz. Hierzu wurde eine herkömmliche JAWS Schaltung mit 100 Josephson-Kontakten verwendet.