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Messungen an Ladungs-Phasen Quantenbit in Niob-Technologie

30.12.2005

An der PTB wurden bereits eine Reihe von Messungen von Josephson-Kontakten in Niob-Technologie mit dem Hochfrequenz-Ausleseverfahren für die Impedanz von Josephson-Kontakten nach Rifkin und Deaver, Jr. durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zu bisherigen Experimenten die kleinen Josephson-Kontakte bei DC-Messungen nicht nur einen sehr geringen Leckstrom im Sub-Gap-Bereich aufweisen, sondern dass auch die aus der Phasenmodulation ermittelten kritischen Ströme in der Größenordnung der Ambegaokar-Baratoff-Werte liegen. Unsere Messungen umfassen sowohl Untersuchungen von Einzelkontakten wie auch von Doppelkontakten, sogenannten Bloch-Transistoren, bei tiefen Temperaturen bis 20 mK. Im Experiment werden die Resonanz-Kurven bzw. die Fluss-Modulations-Kurven ausgewertet. Bild 1 zeigt eine typische Resonanzkurve eines untersuchten Bloch-Transistors. Man erkennt eine bezogen auf die Frequenz des Resonanzkreises asymmetrische Verschiebung der Kurven zu verschiedenen Werten des magnetischen Flusses, aus der sich die Josephson-Induktivitäten des Bloch-Transistors und daraus wichtige Bandparameter ableiten lassen. Aus den Fluss-Modulations-Kurven wiederum kann nicht nur die Strom-Phasenbeziehung der Kontakte, sondern auch ein vollständiges Banddiagramm der untersuchten Bloch-Transistoren abgeleitet werden. Eine systematische Untersuchung des Grundzustands des Ladungs-Phasen-Quantenbits für verschiedene Verhältnisse der Josephson-Kopplungsenergie zur Coulomb-Ladeenergie ermöglicht die vollständige Bestimmung der Probenparameter sowie des kritischen Stroms, der in der Größenordnung weniger nA liegt. Bild 2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Grundzustands eines Bloch-Transistors. Die Messgröße α gibt dabei den Phasenwinkel des Bloch-Transistors bezogen auf den Resonanz-Kreis an. Sie ist in eindeutiger Weise mit der Energie des Transistors verknüpft. 

Wir beobachten eine durch Ladungseffekte hervorgerufene Unterdrückung des Superstroms. Die ebenfalls beobachtete Unterdrückung des Transistor-Superstroms mit zunehmender Temperatur kann quantitativ durch ein quantenstatistisches Modell erklärt werden.


Bild 1: Resonanzkurven für verschiedene Werte des äußeren magnetischen Flusses und unterschiedliche Anregungsspannungen des Resonanzkreises. Deutlich erkennbar ist die Resonanzverschiebung der Kurven für unterschiedliche magnetische Flusswerte. Diese spiegelt die Josephson-Induktivität des untersuchten Bloch-Transistors wider und damit seinen kritischen Strom. Das System wird deutlich unterhalb des ersten Flussquants und damit im nichthysteretischen Regime angeregt


Bild 2: 3D-Darstellung der gemessenen Phase des Bloch-Transistors gegenüber dem treibenden Resonanzkreis in Abhängigkeit der äußeren Parameter magnetischer Fluss bzw. Gatter-Spannung. Diese "Gebirgs"-Darstellung bildet den Verlauf des Grundzustands des Bloch-Transistors ab.