Profil
Unsere Arbeitsgruppe entwickelt Schaltungen für Spannungsnormale auf Basis der Josephson-Effekte in enger Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppe 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 Reinraumzentrum der PTB.
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 Arbeitsgruppe 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, JAWS (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 1-V-Schaltungen aus 8192 Josephson-Kontakten mit binärer Unterteilung stellen wir seit 10 Jahren auch 10-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. nanoSQUIDs herzustellen, mit denen sich kleinste Magnetfelder extrem empfindlich messen lassen.
Schwerpunkte unserer Arbeit sind:
- Entwicklung, Herstellung und Untersuchung von binär geteilten 1-V- und 10-V-Josephson-Reihenschaltungen für programmierbare Spannungsnormale
- Entwicklung, Herstellung und Untersuchung von Josephson-Reihenschaltungen für puls-getriebene Josephson-Spannungsnormale (JAWS)
- Herstellung von nanoSQUIDs
- Untersuchung verschiedener Materialien für optimierte Josephson-Kontakte.
Dabei arbeiten wir für Designs und Layouts eng mit der Arbeitsgruppe 2.41 Entwurf von Josephson-Schaltungen zusammen, nutzen auf technologischer Seite die Möglichkeiten des Fachbereichs im Reinraumzentrum der PTB und kooperieren auf messtechnischer Seite eng mit der Arbeitsgruppe 2.63 Josephson-Effekt, Spannung im Fachbereich 2.6 Elektrische Quantenmetrologie. Die Forschungsarbeiten finden teilweise im Rahmen von nationalen und internationalen Projekten statt. Im Rahmen des europäischen Metrologie-Forschungsprogramm (EMRP) 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 hier. 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 hier).
Mehr Details zu unseren Aktivitäten finden sich auch auf den weiterführenden Seiten unserer Arbeitsgruppe.
Einige Informationen zu abgeschlossenen Projekten und durchgeführten Veranstaltungen unserer Arbeitsgruppe finden sich im Archiv.
Dienstleistungen
Unsere Arbeitsgruppe bietet keine Dienstleistungen an.
Informationen
Zusätzliche Informationen und Details finden sich auch auf den weiterführenden Seiten unserer Arbeitsgruppe:
Josephson-Schaltungen:
1-V-Schaltungen
10-V-Schaltungen
JAWS
Team
Das Team vor dem Reinraumzentrum der PTB.