13.10.2022
Die intrinsische Nichtlinearität der Induktivität von Josephson Kontakten ist die Basis für eine Reihe von parametrischen Effekten, die unter anderem Methoden der Frequenzmischung ermöglichen. Unter Nutzung von Schaltungen mit sogenannten RF‑SQUIDS konnten in der PTB Experimente mit kontrollierter Drei-Wellen-Mischung bei Frequenzen von etwa 4 GHz durchgeführt und entsprechende parametrische Effekte untersucht werden.
Zu den parametrischen Effekten, die in supraleitenden Quantenschaltungen aus Josephson‑Kontakten ausgenutzt werden können, zählen unter anderem die parametrische Verstärkung, die Quantendetektion basierend auf Bifurkation, die Erzeugung von nicht-klassischen Zuständen von Mikrowellensignalen und die parametrische Aufwärts- oder Abwärtskonversion von RF-Signalen.
Die PTB hat diese Effekte mittels sogenannter RF‑SQUIDS untersucht, welche aus einem supraleitenden Ring mit einem einzelnen Josephson‑Kontakt bestehen (siehe Bild 1). Deren stromabhängige Induktivität weist eine Nichtlinearität auf, die durch ein äußeres Magnetfeld so eingestellt werden kann, dass bestimmte nichtlineare Koeffizienten minimiert werden. Dadurch lässt sich eine Nichtlinearität mit unterdrücktem Kerr-Effekt (Vier-Wellen-Mischen) erreichen, während der Effekt der Drei‑Wellen‑Mischung maximiert wird.
Zur Messung dieser Effekte wurde ein solches RF‑SQUID in einen supraleitenden Mikrowellenresonator integriert und bei Temperaturen von etwa 20 mK (~ -273 °C) elektrisch untersucht. Damit konnten verschiedene Effekte demonstriert werden, darunter Frequenzverdopplung, Frequenzhalbierung, parametrische Verstärkung im entarteten und nicht-entarteten Betriebsmodus, sowie Signaldämpfung im entarteten Betriebsmodus. Durch Positionierung des RF‑SQUIDS bei einem Drittel der Gesamtlänge des Resonators konnte eine starke Kopplung der fundamentalen und ersten harmonischen Mode des Mikrowellenresonators erreicht werden. Insbesondere konnte die Funktionalität des Schaltkreises als sogenannter Josephson‑Parametric‑Amplifier (JPA) im phasensensitiven Modus demonstriert werden (siehe Bild 2). Im Experiment wurde Leistungsverstärkung von bis zu 17 dB gemessen. Daneben konnte abhängig von der relativen Phasenlage zwischen Pump- und Signalwelle auch Leistungsabschwächung von bis zu ‑10 dB gezeigt werden, was ein Indiz für sogenanntes Squeezing von Hintergrundrauschen darstellt.
Bild 1: (a) Schematische Darstellung des λ/2 Mikrowellenresonators in einem koplanaren Wellenleiter. Die durch das RF‑SQUID (Lage angedeutet durch das gestrichelte Rechteck) erzeugte nichtlineare Induktivität Ls ist bei einem Drittel der Gesamtlänge positioniert. (b) Schematische Darstellung eines RF‑SQUIDS, bestehend aus einem supraleitenden Ring mit einer Induktivität Lg und einem Josephson‑Kontakt, charakterisiert durch seinen kritischen Strom Ic. (c) Mikroskopbild des RF‑SQUIDS, dessen Nichtlinearität durch den kleinen Josephson‑Kontakt (JJ) erzeugt wird, während JJ1 der Kontaktierung dient. Der Mäander im oberen Teil der Streifenleitung implementiert die Induktivität Lg.
Bild 2: Messergebnisse der phasensensitiven parametrischen Verstärkung und Abschwächung. Die Signalfrequenz wird bei 3,875 GHz mit einer Leistung von -140 dBm eingestrahlt, während die Pumpleistung bei der doppelten Frequenz von 7,75 GHz mit einer Leistung von -70 dBm eingestrahlt wird. θ bezeichnet die relative Phasenlage zwischen beiden Signalen.
Veröffentlichung:
M. Khabipov et al.: „Superconducting microwave resonators with non‑centrosymmetric nonlinearity”, Superconductor Science and Technology 35, 065020 (2022)
Ansprechperson:
Marat Khabipov