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Untersuchung der Strom-Phasen-Beziehung von HfTi-Josephsonkontakten mittels SQUIDs

04.12.2020

Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs) stellen die empfindlichsten Detektoren für Spinsysteme und magnetische Flüsse dar. Sogenannte Multi-Junction-SQUIDs bieten den Vorteil, die Beschränkung der Empfindlichkeit herkömmlicher SQUIDs auf bestimmte periodische Werte des angelegten magnetischen Feldes zu umgehen. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Verschiebung des Quanteninterferenzmusters in Abhängigkeit vom magnetischen Feld.

 

 

Für solche Untersuchungen wurden im Reinraumzentrum der PTB Multi-Junction-SQUIDs mit vier SNS-Josephson-Kontakten hergestellt (Materialfolge Nb/HfTi/Nb). Dabei wurde ein Prozess basierend auf Elektronenstrahl-Lithografie sowie Chemisch-Mechanischem Polieren (CMP) angewandt, um eine möglichst hohe Ausbeute der Schaltungen zu erzielen.

Das Schaltungslayout wurde auf Grundlage von theoretischen Vorarbeiten zu Multi-Junction-SQUIDs entwickelt. In Messungen wurden die so hergestellten SQUID-Schaltungen (Bild 1) charakterisiert, wobei die gemäß Theorie erwarteten Eigenschaften nachgewiesen werden konnten. Dabei wurde z. B. gezeigt, dass sich die V-Φ-Charakteristik (V ist die Spannung und Φ der magnetische Fluss), und damit auch das Quanteninterferenzmuster durch Anlegen eines Kontrollstroms an einem der Kontakte des Multi-Junction-SQUIDs kontinuierlich verschieben lässt (Bild 2), sodass die maximale Empfindlichkeit des SQUIDs bei beliebigen angelegten magnetischen Feldern ermöglicht werden kann. Damit konnte die Strom-Phasen-Beziehung der SNS-Kontakte bestimmt werden.

Eine weitere Optimierung der Multi-Junction-SQUIDs hinsichtlich der Kontaktgröße und Kopplungsstärke des magnetischen Flusses sowie die Herstellung von SQUIDs mit drei Josephson-Kontakten bieten ein großes Potential, um weitere Erkenntnisse über die Strom-Phasen-Beziehung von SQUIDs zu gewinnen.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines SQUIDs mit vier Josephson-Kontakten

Bild 1: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines SQUIDs mit vier Josephson-Kontakten.

 

 

 

Normierter Konturplot der V-Φ-Charakteristik

Bild 2: Normierter Konturplot der V-Φ-Charakteristik bei Variation des Kontrollstroms I4 (4. Josephson Kontakt). Es ist deutlich zu erkennen, dass die maximale gemessene Spannung VSQ am SQUID hinsichtlich des magnetischen Flusses Φ über den Kontrollstrom verschoben wird.

 

 

 

Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik“