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Josephson-Technologie

Arbeitsgruppe 2.43

Forschung:

JAWS - AC Wellenformen höchster Güte:
hochstabil und quantengenau

Zur Erzeugung von Wechselspannungen mit beliebigen Wellenformen untersuchen wir Josephson-Schaltungen, die mit sehr kurzen Strompulsen betrieben werden. Die Schaltungen für den Einsatz in diesem Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) bestehen aus SNS-Kontakten mit einer Schichtenfolge Supraleiter / Normalleiter / Supraleiter. Als Supraleiter verwenden wir Niob, als normalleitende Barriere amorphes Silizium, dem wir in einem Co-Sputterprozess einen Niobanteil von etwa 20% hinzufügen. Die einzelnen Josephson-Schaltungen enthalten bis zu 9.000 Josephson Kontakte in Serie. Auf einem Silizium-Chip mit einer Kantenlänge von 1 cm können zwei Schaltungen angeordnet und gleichzeitig betrieben werden. Wir stellen die Schaltungen in Opens internal link in current windowDünnschichttechnologie im Reinraumzentrum der PTB her, wobei als wesentlicher Teil die  Opens internal link in current windowElektronenstrahllithographie eine hohe Qualität und Ausbeute der Schaltungen ermöglicht. 

Der experimentelle JAWS-Messaufbau basiert auf einem Pulsgenerator, der ternäre Pulse (-1 / 0 / +1) mit einer maximalen Pulsfolgefrequenz von 15 GHz an die Schaltungen sendet. Die Chips werden bei 4,2 K (etwa -269°C) in flüssigem Helium betrieben. Mit 18 000 als dreifach Stapel ausgeführten Kontakten in zwei Schaltungen auf einem Chip konnten wir Wellenformen im Frequenzbereich von ca. 10 Hz bis 1 MHz mit Effektivspannungen von bis zu 355 mV (Spitze-Spitze-Spannung 1 V) erzeugen. Höhere Harmonische sind dabei typischerweise um 110 dBc bis 120 dBc unterdrückt. Als Beispiel zeigt Bild 1 eine sinusförmige Wellenform mit einer Effektivspannung von 50 mV (Spitze-Spitze-Spannung 141.4 mV) und einer Frequenz von 58.6 Hz.  

Mit dem JAWS können wir beliebige Wellenformen im Zeit- oder im Frequenzbereich synthetisieren, was für unterschiedlichste Anwendungen von großem Interesse ist. Zwei Beispiele zeigen exemplarisch die Möglichkeiten: Als Beispiel für den Frequenzbereich haben wir das Akronym „JAWS“ aus 132 Oberwellen realisiert, im Zeitbereich haben wir ein Herzton-Signal erzeugt.

Im August 2014 ist es uns gemeinsam mit Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 2.63 gelungen, Wellenformen mit einer Effektivspannung von 1 V (Spitze-Spitze-Spannung 2,845 V) zu erzeugen, indem wir acht Josephson-Reihenschaltungen mit insgesamt 63.000 Kontakten in Serie betrieben haben. Seit dieser Zeit setzen wir das 1-V-System für verschiedene Anwendungen ein.

Bild 1: Frequenzspektrum (oben) und Zeitbereichsdarstellung (unten) einer sinusförmigen Wellenform mit einer Frequenz von 58.6 Hz und einer Effektivspannung von 50 mV (Spitze-Spitze-Spannung 141.4 mV). Höhere Harmonische sind unterhalb des Rauschuntergrundes unterdrückt. Das Signal-Rausch-Verhältnis beträgt 119 dBc.

 

 

Bild 2: Frequenzspektrum einer synthetisierten Multi-Ton-Wellenform aus 132 Oberwellen zur Darstellung des Akronyms „JAWS“.

 

 

Bild 3: Zeitbereichsdarstellung einer synthetisierten Wellenform, die dem Verlauf des Herztons eines Menschen nachempfunden wurde.