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Integration von π-Kontakten in Josephson-Qubits und Einzelflussquanten-Strukturen

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05.12.2007

Die bemerkenswerte Eigenschaft von Supraleiter-Ferromagnet-Supraleiter (SFS) Josephsonkontakten, die bei einer bestimmten Dicke der ferromagnetischen Schicht eine intrinsische Phasenverschiebung von π aufweisen [1], eröffnet viel versprechende Möglichkeiten zur Implementierung dieser Kontakte in Josephson-Qubits und Einzelflussquanten (SFQ)-Logikschaltungen. Mit der Verwendung von SFS-π-Kontakten kann in Phasenqubits eine wesentliche Erhöhung der Stabilität erreicht und in SFQ- Strukturen durch die Ersetzung großflächiger Speicherinduktivitäten ein besonders kompaktes Schaltungslayout erstellt werden. Darüber hinaus sagen Simulationsrechnungen von SFQ-Strukturen mit integrierten π-Phasenschieberelementen erweiterte Operationsbereiche voraus. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltungen besteht in einem stark reduzierten Leistungsverbrauch.

Inzwischen liegen erste Messergebnisse von integrierten SFS/SFQ-Schaltungen vor, die in den Laboratorien der PTB Braunschweig und des Institute of Solid State Physics (ISSP), Chernogolovka, Russland hergestellt wurden. Dabei wurden in Ko-Fabrikation die SFS-Kontakte auf vorbereitete Niob-Schaltungen gebracht. Die Nb-Schaltungen waren im Design für den Standard-Herstellungsprozess der PTB in 4 µm Supraleiter-Isolator-Supraleiter (SIS) Nb/Al-AlOx/Nb Trilayer-Technologie entwickelt und entsprechend hergestellt worden, mit nominellen Werten der kritischen Stromdichte von 
jc = 100 A/cm2. Die Ko-Fabrikation der SFS (Nb/CuNi/Nb)-Kontakte mit lateralen Abmessungen von 5µm x 5µm und einer kritischen Stromdichte von jc = 1 kA/cm2 erfolgte oberhalb der Nb-Verdrahtungs-Schicht.

Es wurde ein DC-Interferometer hergestellt, experimentell untersucht und sein korrekter Betrieb mit einer Phasenverschiebung von π in der Schaltungscharakteristik demonstriert. Darüber hinaus wurde eine kompakte Toggle-Flip-Flop(TFF)-Struktur entwickelt, deren Speicherinduktivität durch einen SFS-Kontakt ersetzt wurde.

Die Arbeit wurde durch die DFG gefördert. 

[1] V.V. Ryazanov et al., Phys. Rev. Lett. 86, 2427 (2001).

Bild 1:
Links: Foto einer Interferometer-Schaltung mit integriertem π-Kontakt. 
Rechts: Fluss-Spannungs-Kennlinie des SQUIDs mit integriertem π-Kontakt

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