26.11.2015
Für den Einsatz bei 15mK wurde eine kombinierte Mikrowellenschaltung entwickelt, die sowohl eine Josephson-Oszillationsquelle als auch einen SET Mikrowellendetektor (engl.: Single Electron Tunneling ) enthält. Beide Schaltungsteile befinden sich auf einem Chip und sind miteinander gekoppelt. Das Ziel ist es, einen Detektor für einzelne Mikrowellenphotonen aufzubauen und zu kalibrieren, der zur Qualitätskontrolle bei der Konzipierung von extrem rauscharmen, kryogenen Messumgebungen von Quantenschaltungen beitragen kann.
Aufgrund des „Photonenunterstützten Tunneleffektes“ kann schon eine sehr schwache Mikrowellenstrahlung (in der Praxis genügen einzelne Photonen) die Funktion von Einzelelektronenschaltungen und Qubits erheblich beeinträchtigen. Die hier entwickelte Schaltung ermöglicht die Verifikation und Kalibrierung eines sensitiven Mikrowellendetektors auf der Basis eines SET-Transistors, der aus kleinen NIS Tunnelkontakten (Normalleiter-Isolationsschicht-Supraleiter) aufgebaut ist. Es wurden zwei verschiedene Detektortypen realisiert: Typ A besteht aus einer NISIN Konfiguration und ermöglicht Zählraten für Mikrowellenphotonen von einigen zehn Photonen pro Sekunde bis zu einigen tausend Photonen pro Sekunde durch Messung der Änderung des Gleichstroms (> 10 fA) in der Detektorschaltung; Typ B dagegen besteht aus einer SINIS Konfiguration und ermöglicht als SET-Falle (Bild 1, rechte Seite) die Detektion einzelner Photonen mit Zählraten von etwa hundert Photonen pro Sekunde bis herunter zu einem Photon in hundert bis tausend Sekunden.
Als Signalquelle (Bild 1, linke Seite) wurde eine Josephson-Interferometer Schaltung mit zwei kleinen Tunnelkontakten (SQUID) benutzt, die im sogenannten Lückenbereich der IV-Kennlinie (100 µV < V < 340 µV) eine fast monochromatische Josephson-Oszillation aufweist und an den Detektor weitergeben kann. Die Oszillationsamplitude Vac sowie die Josephsonfrequenz (50 GHz < fJ < 170 GHz) sind einstellbar: die erstere mittels des Magnetflusses durch die Interferometer-Schleife und die letztere durch die Josephson-Spannung V = (2e/h)fJ. Gekoppelt wurden Generator und Detektor mittels einer supraleitenden koplanaren Mikrowellenleitung der Länge L = 0,6 mm mit der spezifischen Impedanz Z∞ = 250 Ω, realisiert als eine Zweiband-Mikrostreifenleitung. Zum Vergleich wurden Referenzproben verwendet, bei denen dieses Ankopplungselement durch eine kompakte, erwartungsgemäß viel effizientere direkt-kapazitive Verbindung ersetzt wurde, sowie auch Proben mit zusätzlichen baugleichen, rein akustisch gekoppelten (Signalausbreitung durch Substrat-Phononen) Referenzquellen auf demselben Chip. Die Referenzquellen befanden sich im selben Abstand zum Detektor wie die Hauptquellen, waren aber elektromagnetisch ungekoppelt. Mithilfe dieser Referenzquellen gelang es, ein akustisches Signal mit Zählraten bis zu einzelnen Phononen pro Sekunde zu registrieren, allerdings weit außerhalb des Lückenbereiches der IV-Kennlinie. Innerhalb des Lückenbereiches trug die akustische Komponente zum messbaren Signal kaum bei.
Alle Messungen zeigten ein klares Reaktionssignal des jeweiligen Detektors (Typ A und Typ B) in Abhängigkeit der Mikrowellenleistung (einstellbar durch SQUID-Modulation) sowie einen Frequenzgang im Einklang mit theoretisch berechneten Kennlinien (Bild 2 für Typ B Detektor). Die Kurve zeigt ein deutliches Schwellwertverhalten des SET Detektors, das mit der Coulomb Barriere assoziiert ist, sowie einen Abfall der Tunnelrate aufgrund der bei hohen Frequenzen geringeren Leistung des Josephson Generators. Die durch Kurvenanpassung errechneten Schaltungsparameter, wie die Aktivierungsschwelle Et und die Signal-Ankopplungseffizienz α ~ 0,1 sind für die Kalibrierung des Detektors wichtig und erhöhen die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Hintergrundstrahlung im Probenhalter.
Bild 1: Elektrische Schaltung des Experimentes mit Josephson-Signalquelle und SET Falle als Photonendetektor (Typ B).
Bild 2: Photonen-aktivierte Tunnelrate in einer SET-Falle in Abhängigkeit von der Josephson-Oszillationsfrequenz in der on-chip Mikrowellenquelle: Experiment bei T = 15 mK und vereinfachte Rechnung für T = 0.