30.11.2021
Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts „New strategies for the mutual synchronization of very large Josephson junction networks” hat die PTB gemeinsam mit der Universität Tübingen und der Russischen Akademie der Wissenschaften Josephson-Oszillator-Schaltungen mit extrem schnellen Josephson-Kontakten entwickelt, die bei Frequenzen von mehr als 160 GHz betrieben werden. Die Strahlungsemission der Terahertz (THz)-Antennen-Arrays konnte damit erfolgreich detektiert werden.
Mithilfe der an der PTB etablierten Technologie zur Herstellung großer Serienschaltungen von Josephson-Kontakten wurden Josephson-Oszillator-Schaltungen für THz-Antennen-Arrays realisiert. Dabei wurden die Nb-basierten SNS-Josephson-Kontakte (SNS: Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter) mit NbxSi1-x als normalleitender Barriere so optimiert, dass sie bei sehr hohen Frequenzen von mehr als 160 GHz betrieben werden können. In 20 verschiedenen Design-Varianten der Antennen-Arrays konnten bis zu 16 660 Josephson-Kontakte in eine einzelne Schaltung auf Chips der Größe 10 mm x 10 mm integriert werden (siehe Bild).
Die bei den Kooperationspartnern bei Temperaturen von 4 K durchgeführten Messungen der Strom-Spannungs-Charakteristik dieser Schaltungen zeigten die erwartete Ausbildung von resonanten Shapiro-Stufen. Dies deutet auf die gewünschte kollektive Anregung eines „Cavity-Modes“ innerhalb der Antennen-Arrays hin. Außerdem wurde eine unerwünschte, aber geringfügige thermische Hysterese der Kennlinien nachgewiesen, was bei den hohen Betriebsfrequenzen jedoch typisch ist.
Ferner konnten die Kooperationspartner durch Einsatz eines externen Bolometer-Detektors die Strahlungsemission der Antennen-Arrays nachweisen. Eine für die Funktion wichtige effektive Kopplung des „Cavity-Modes“ an die oszillierenden Josephson-Kontakt-Arrays ist damit sichergestellt. Die Synchronisierung der Arrays zur kohärenten Emission ist somit möglich. Die maximal detektierte abgestrahlte Leistung betrug 14 µW bei einer Frequenz von 255 GHz, wobei die Stabilität der Signale durch Optimierung des experimentellen Aufbaus noch verbessert werden kann (z.B. durch Vermeidung von Resonanzen in der Probenstange). Die Messergebnisse entsprechen sehr gut den durchgeführten Berechnungen und Simulationen (siehe [1] und [2] für weitergehende Informationen).
Bild: REM-Aufnahmen verschiedener THz-Antennen-Arrays.
Publikationen:
- [1] M. Galin, et al.: „Fine Structure of radiation Spectra from Large Josephson Systems“, 12th Int. Conf. on Intrinsic Josephson Effect and Horizons of Supercond. Spintronics „Spintech-Nano“ (Moldova, Sept. 2021)
- [2] R. Cattaneo, et al.: „Observation of a gradual collective excitation of a geometrical resonance in an array of Nb/NbSi/Nb Josephson junctions with increasing number of synchronized junctions“, 12th Int. Conf. on Intrinsic Josephson Effect and Horizons of Supercond. Spintronics „Spintech-Nano“ (Moldova, Sept. 2021)
Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik“