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Granuliertes Aluminium als hochinduktives Josephson-Metamaterial

30.11.2021

An der PTB wurde ein Herstellungsverfahren für hochinduktive supraleitende Nanodrähte aus sogenanntem „granulierten Aluminium“ implementiert. Es handelt sich dabei um eine mikrostrukturierte Aluminiumschicht, die durch reaktives Bedampfen unter Präsenz von Sauerstoff eine grobkörnige Struktur ausbildet und die elektrischen Eigenschaften einer verteilten Josephson-Induktivität aufweisen kann. Die Arbeiten wurden im Rahmen eines DFG-Projektes realisiert, welches sich mit supraleitenden Bloch-Oszillations-Schaltungen und dazugehörigen Realisierungen eines hochpräzisen adiabatischen Elementarladungstransportes befasst.

 

 

 

Das DFG-Projekt trägt den Titel: „Hochempfindliche On-Chip-Spektroskopie von Bloch-Oszillationen und nicht-klassischer Strahlung in kleinen Josephson-Kontakten“. Eine kritische Zwischenetappe besteht in der Entwicklung einer beinahe dissipationsfreien Stromquelle mit sehr hoher on-chip-Impedanz im Mikrowellen-Frequenzbereich. Um den kapazitiven Belag möglichst klein und dadurch die Amplitude der Bloch-Oszillationen möglichst hoch zu halten, soll diese hohe Impedanz als kompakte On-Chip-Induktivität (im englischen Sprachgebrauch auch „superinductance“ genannt) realisiert werden.


Granuliertes Aluminium (grAl) ist ein Dünnschicht-Material mit einer dicht gepackten Struktur aus supraleitenden, von einer Oxidschicht umhüllten Körnern, geeignet für den Einsatz als hochinduktives Josephson-Metamaterial. Der Sauerstoffgehalt bestimmt die Tunneltransparenz der Korngrenzen und hängt sehr kritisch von der Aluminium-Bedampfungsrate sowie vom Sauerstoff-Prozessdruck ab. Bild 1 (oben) zeigt eine exponentielle Zunahme des Flächenwiderstandes mit ansteigendem Sauerstoffdruck bei einer nominell konstanten, im realen Prozess aber um ca. 5 % bis 10 % schwankenden Abscheidungsrate. Die nicht unwesentliche Streuung der jeweiligen bei gleichem Druck aufgenommenen Messpunkte weist dabei auf die technologischen Herausforderungen in Hinblick auf Parameterstabilität und Reproduzierbarkeit hin.


Bild 1 (unten) zeigt das Ergebnis von Mikrowellen-Resonanzmessungen der elektrischen Induktivität von grAl-Schichten. Die Flächeninduktivität wurde anhand von Resonanzspektren eines koplanaren Wellenleiter-Resonators aus Aluminium mit eingesetzten grAl-Mikrostreifen ausgewertet. Die experimentellen Werte stehen im Einklang mit theoretischen Vorhersagen und weisen Flächeninduktivitäten auf, die im Vergleich zu sonst schaltungsüblichen, vorwiegend geometrischen Induktivitäten mit Induktivitätswerten im sub-pH-Bereich um mehrere Größenordnungen erhöht sind. Diese sehr prominente Schichteigenschaft von grAl kann, neben der aktuellen Anwendung zur Realisierung von Bloch-Oszillationen in supraleitenden Schaltungen, auch für die zukünftige Metrologie im Bereich Quantencomputing sehr attraktiv sein.

 

 

 

Bild 1: Oben: Raumtemperatur-Messwerte des spezifischen Flächenwiderstands einer 30 nm-dicken grAl-Schicht in Abhängigkeit vom Sauerstoff-Prozessdruck beim Elektronenstrahl-Aufdampfen von Aluminium. Unten: Flächeninduktivität gegen Flächenwiderstand, gemessen im supraleitenden Zustand bei T = 20 mK an zwei unterschiedlichen On-Chip-Resonatoren mit eingebauten grAl-Elementen

 

 

 

 

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