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Magnetfeldabhängigkeit der kritischen Stromstärke von Josephson-Kontakten mit NbxSi1-x-Barriere

12.11.2012

Robuste Josephson-Kontakte mit einer Barriere aus amorphem NbxSi1-x bilden die Grundlage für die AC-Spannungsnormale der PTB. Die NbxSi1-x-Kontakte bieten dabei zwei Freiheitsgrade für die Einstellung der Kontakteigenschaften, nämlich die Zusammensetzung x der Barriere und ihre Dicke d. Damit lassen sich die Eigenschaften dieses Kontakttyps über einen sehr weiten Bereich einstellen, sodass die Herstellung sowohl von SIS-artigen als auch SNS-artigen Kontakten möglich ist
(S: Supraleiter, I: Isolator, N: Normalleiter). Das Verhalten hängt mit einem Metall-Isolator-Übergang des Barrierenmaterials zusammen, der bei einer Zusammensetzung
x von ungefähr 11 % auftritt. Dieser Kontakttyp stellt somit ein sehr vielseitiges Element für Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Supraleiter-Elektronik dar. Um weitere Details dieser interessanten Josephson-Kontakte mit NbxSi1-x -Barriere zu bestimmen, wurde an Kontakten verschiedener Größe, Zusammensetzung und Dicke die Magnetfeldabhängigkeit der kritischen Stromstärke untersucht.

Diese Abhängigkeit liefert wichtige Aussagen über die Eigenschaften und die Qualität von Josephson-Kontakten. Für einen recht-
eckigen Kontakt mit idealer homogener Stromverteilung ist eine Abhängigkeit zu erwarten, die in der Optik dem Fraunhofer-Muster der Lichtbeugung an einem Einzelspalt gleicht. Insbesondere ist eine völlige Unterdrückung des Suprastromes zu erwarten, wenn der magnetische Fluss durch den Kontakt ganzzahlige Vielfache des magnetischen Flussquants beträgt. Bild 1 zeigt vier Messkurven, die an Josephson-Kontakten unterschiedlicher Größe mit zirka 20 % Niob in der Barriere und einer Barrierendicke von 30 nm gemessen wurden. Jede Kurve wurde auf den Wert der kritischen Stromstärke ohne angelegtes Magnetfeld normiert, um die Vergleichbarkeit zu verbessern. Auffällig ist, dass bei keinem Kontakt der Suprastrom völlig unterdrückt wurde. Dies kann auf sogenannte strukturelle Fluktuationen zurückgeführt werden, bei denen die Suprastromdichte lokal von der globalen Verteilung abweicht. Verglichen mit den Abmessungen des Josephson-Kontaktes finden diese Abweichungen aber auf sehr kurzen Längenskalen statt, sodass die globale Stromdichteverteilung nicht beeinflusst wird. Man kann sich diese strukturellen Fluktuationen also wie ein Rauschen vorstellen, welches das eigentliche „Signal“, die globale Stromdichteverteilung, überlagert. Im Falle der Josephson-Kontakte haben „Signal“ und „Rauschen“ unterschiedliche Auswirkungen: Die globale Stromdichteverteilung bestimmt die Verhältnisse der Höhe des Haupt-
maximums zu der Höhe jedes einzelnen Nebenmaximums, während die strukturellen Fluktuationen die Höhe der Minima beeinflussen. Allerdings erlaubt diese Erklärung keine Rückschlüsse auf die Ursachen dieser Fluktuationen. Eine
Abhängigkeit dieses Verhaltens von der Kontaktfläche wurde nicht festgestellt. Die Analyse der globalen Stromverteilung der im Bild 1 gezeigten Kontakte ergibt eine homogene Verteilung über die gesamte Kontaktfläche, was trotz der unvollständigen Suprastromunterdrückung auf Kontakte hoher Qualität hinweist. Für den Einsatz in Spannungsnormal-Schaltungen wurden keinerlei Einschränkungen durch diesen Effekt beobachtet.

 

Bild 1: Abhängigkeit der kritischen Stromstärke vom angelegten Magnetfeld für
NbxSi1-x-Josephson-Kontakte unterschiedlicher Größe.

 

 

 

Ansprechpartner: T. Scheller
Fachbereich 2.4:  Quantenelektronik