Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Untersuchung der elektrischen Transporteigenschaften von neuartigen nanoSQUIDs

10.10.2022

Miniaturisierte SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) mit Josephson-Kontakten, die Abmessungen im Submikrometer-Bereich aufweisen, bieten extrem hohe räumliche Auflösung und Spinempfindlichkeit sowie Unempfindlichkeit gegenüber äußeren magnetischen Feldern. Durch die immer stärkere Miniaturisierung der Abmessungen wird es jedoch zunehmend schwieriger, den magnetischen Fluss im SQUID mithilfe von elektrischen Leitungen zu modulieren. Multi-terminal / multi-junction SQUIDs bieten den Vorteil, eine optimale Feldempfindlichkeit durch eine zusätzliche Kontrollleitung für alle Werte des angelegten magnetischen Flusses in-situ einzustellen. Zudem ermöglichen sie eine direkte Messung der Strom-Phasen-Beziehung der Josephson-Kontakte.

 

Basierend auf einer theoretischen Analyse [A. Y. Meltzer, A. Uri und E. Zeldov: „Multi-terminal multi-junction dc SQUID for nanoscale magnetometry“, Supercond. Sci. Technol. 29, 114001 (2016)] wurden 4-terminal, 4-junction microSQUIDs (4JJSQs) mit Nb/HfTi/Nb-Josephson-Kontakten an der PTB entworfen, hergestellt und hinsichtlich ihrer elektrischen Transporteigenschaften untersucht. Die in dieser theoretischen Arbeit betrachtete SQUID-on-Tip-Konfiguration beruht auf Josephson-Kontakten mit hysteretischer Strom-Spannungs-Charakteristik ist deshalb auf statische Transporteigenschaften fokussiert. Im Gegensatz dazu konnten die 4JJSQs mit überdämpften Nb/HfTi/Nb-Kontakten der PTB nun auch hinsichtlich ihrer dynamischen elektrischen Transporteigenschaften mithilfe numerischer Simulationen auf Basis des „Resistively and Capacitively Shunted Junction“ (RCSJ)-Modells analysiert werden.

 

Für ideale 4JJSQs mit symmetrischen Josephson-Kontakten zeigten sich in den Simulationen komplexe Wechselwirkungen zwischen den Phasen der vier Kontakte, die sich unter anderem in einer vom angelegten magnetischen Fluss abhängigen Hysterese widerspiegeln. Beim hergestellten asymmetrischen 4JJSQ hingegen ist das Auftreten der Hysterese unterdrückt, und es konnte somit die kontinuierliche Verschiebung des Quanteninterferenzmusters mithilfe des Kontrollstroms gezeigt werden. Aus den Daten wurde weiterhin die sinusförmige Strom-Phasen-Beziehung der verwendeten Nb/HfTi/Nb-Josephson-Kontakte extrahiert.

 

Die präzise Vorhersagbarkeit der Messergebnisse mithilfe numerischer Simulationen und die Möglichkeit der exakten Einstellbarkeit des Arbeitspunktes der 4JJSQs sind vielversprechend für zukünftige Anwendungen der 4JJSQs in der hochauflösenden Scanning-SQUID-Mikroskopie, beispielsweise für die Detektion des magnetischen Zustands einzelner magnetischer Nanopartikel.

 

Bild: (a) REM-Aufnahme des hergestellten 4JJSQs. (b) Gemessene (durchgezogene Linien) und numerisch simulierte (gestrichelte Linien) Quanteninterferenzmuster des hergestellten 4JJSQs für verschiedene Kontrollströme.

 

Veröffentlichung:

S. Wolter, J. Linek, T. Weimann, D. Koelle, R. Kleiner, and O. Kieler: „Static and dynamic transport properties of multi-terminal, multi-junction microSQUIDs realized with Nb/HfTi/Nb Josephson junctions“, Supercond. Sci. Technol. 35, 085006 (2022).

 

Ansprechperson:

Silke Wolter

Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik

silke.wolter@ptb.de