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Josephson-Technologie

Arbeitsgruppe 2.43

Profil

Unsere Arbeitsgruppe entwickelt Schaltungen für Spannungsnormale auf Basis der Opens internal link in current windowJosephson-Effekte in enger Zusammenarbeit mit Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 2.41 und stellt diese Schaltungen her. Diese hochintegrierten supraleitenden Schaltungen werden für Präzisionsmessungen der elektrischen Spannung eingesetzt. Dabei spielen Josephson-Spannungsnormale für Wechselspannungsanwendungen in den letzten Jahren eine zunehmend wichtigere Rolle, nachdem weltweit in allen bedeutenden nationalen Metrologieinstituten sowie etlichen Firmen-Laboratorien konventionelle 1-V- und 10-V-Josephson-Spannungsnormale erfolgreich für Gleichspannungsanwendungen betrieben werden. Im Gegensatz zu den konventionellen Spannungsnormalen aus unterdämpften Josephson-Kontakten bestehen die Spannungsnormale für Wechselspannungsanwendungen aus überdämpften Josephson-Kontakten, die sich z.B. mit einer Schichtenfolge aus SNS oder SINIS herstellen lassen (S: Supraleiter, I: Isolator, N: Normalleiter). Diese überdämpften Josephson-Kontakte zeigen eine nichthysteretische Stromstärke-Spannungs-Kennlinie, die auch unter Mikrowellen-Einstrahlung eindeutig bleibt. Um Ausgangsspannungen von 1 V oder 10 V zu erzeugen, müssen tausende oder sogar zehntausende Josephson-Kontakte zusammengeschaltet werden. Für die Herstellung der Schaltungen in Dünnschichttechnologie nutzen wir die technologischen Möglichkeiten des Fachbereichs im Opens internal link in current windowReinraumzentrum der PTB.

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Forschung/Entwicklung

Im Mittelpunkt unserer Forschungsaktivitäten steht die Entwicklung und Herstellung von hochintegrierten Reihenschaltungen für AC-Josephson-Spannungsnormale, wobei wir für die Designs und Layouts eng mit Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 2.41 zusammenarbeiten. Dabei beschäftigen wir uns mit zwei Varianten, die auf binär geteilten bzw. pulsgetriebenen Reihenschaltungen basieren. Aufgrund ihres Arbeitsprinzips ähnlich einem Digital-Analog-Wandler werden Systeme mit binär-geteilten Schaltungen häufig auch als programmierbare Josephson-Spannungsnormale bezeichnet. Mit pulsgetriebenen Schaltungen lassen sich extrem reine Wellenformen synthetisieren, weshalb diese Variante häufig Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer, Opens internal link in current windowJAWS (etwa: Josephson Synthesizer für beliebige Wellenformen) genannt wird. Mit einem modifizierten und erweiterten JAWS-System mit 63.000 Josephson-Kontakten können wir seit Mitte 2014 Ausgangsspannungen bis 1 V erzeugen. Neben Opens internal link in current window1-V-Schaltungen aus 8192 Josephson-Kontakten mit binärer Unterteilung stellen wir seit 10 Jahren auch Opens internal link in current window10-V-Schaltungen aus knapp 70.000 Josephson-Kontakten erfolgreich her.

Zusätzlich zu den Schaltungen für Spannungsnormale nutzen wir unsere Technologie, um andere Schaltungen mit Josephson-Kontakten wie z.B. Opens internal link in current windownanoSQUIDs herzustellen, mit denen sich kleinste Magnetfelder extrem empfindlich messen lassen.

Schwerpunkte unserer Arbeit sind:

  • Entwicklung, Herstellung und Untersuchung von binär geteilten Opens internal link in current window1-V- und Opens internal link in current window10-V-Josephson-Reihenschaltungen für programmierbare Spannungsnormale
  • Entwicklung, Herstellung und Untersuchung von Josephson-Reihenschaltungen für puls-getriebene Josephson-Spannungsnormale (Opens internal link in current windowJAWS)
  • Untersuchung verschiedener Materialien für optimierte Josephson-Kontakte.


Dabei arbeiten wir für Designs und Layouts eng mit der Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 2.41 Entwurf von Josephson-Schaltungen zusammen, nutzen auf technologischer Seite die Möglichkeiten des Fachbereichs im Opens internal link in current windowReinraumzentrum der PTB und kooperieren auf messtechnischer Seite eng mit der Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 2.63 Josephson-Effekt, Spannung im Opens internal link in current windowFachbereich 2.6 Elektrische Quantenmetrologie statt. Die Forschungsarbeiten finden teilweise im Rahmen von nationalen und internationalen Projekten statt. Im Rahmen des europäischen Metrologie-Forschungsprogramm (Opens external link in new windowEMRP) haben wir das Projekt "Q-WAVE - A quantum standard for sampled electrical measurements" mit einer Laufzeit von Juni 2013 bis Mai 2016 koordiniert. Ziel dieses Projekts war, eine direkte und effiziente Rückführbarkeit für Präzisionsgeräte im Frequenzbereich bis 10 MHz zur Verfügung zu stellen. Weitere Informationen zu Q-WAVE (in Englisch) finden sich Opens external link in new windowhier. An dem EMPIR-Projekt "QuADC - Waveform metrology based on spectrally pure Josephson waveforms" mit einer Laufzeit von Juni 2016 bis Mai 2019 sind wir ebenfalls maßgeblich beteiligt (weitere Informationen in Englisch finden sich Opens external link in new windowhier).

Weitere Details zu unseren Aktivitäten finden sich auch auf den Opens internal link in current windowweiterführenden Seiten unserer Arbeitsgruppe.

Einige Informationen zu abgeschlossenen Projekten und durchgeführten Veranstaltungen unserer Arbeitsgruppe finden sich im Opens internal link in current windowArchiv.

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Dienstleistungen

Unsere Arbeitsgruppe bietet keine Dienstleistungen an.

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Informationen

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