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Josephson-Technologie

Arbeitsgruppe 2.43

Die Opens internal link in new windowTechnologie zur Herstellung von Schaltungen für Spannungsnormale lässt sich auch zur Herstellung anderer Schaltungen nutzen. Insbesondere die Herstellung sehr kleiner Strukturen bzw. sehr kleiner Josephson-Kontakte ermöglicht weitere Anwendungen. So haben wir in den letzten Jahren in Kooperation mit dem Physikalischen Institut, Bereich Opens external link in new windowFestkörperphysik der Universität Tübingen sowie dem Opens internal link in new windowFachbereich 7.2 der PTB in Berlin die Technologie für SNS-Josephson-Kontakte mit HfTi als normalleitender Barriere weiterentwickelt und für die Herstellung von nanoSQUIDs eingesetzt (SQUID, vom englischen Superconducting QUantum Interference Device, zu deutsch etwa supraleitendes Quanteninterferenzgerät). Ziel dieser Entwicklungen sind nanoSQUIDs zur Detektion kleiner Spin-Systeme (z.B. magnetische Nanopartikel) mit hoher Ortsauflösung und Empfindlichkeit, bei gleichzeitig hoher Widerstandsfähigkeit gegen äußere Magnetfelder.

Zur Herstellung der nanoSQUIDs setzen wir eine Technologie mit Elektronenstrahl-Lithographie und chemisch-mechanischem Polieren (CMP) ein. Für die nanoSQUIDs benötigen wir Josephson-Kontakte mit Dimensionen im Nanometer-Bereich; so streben wir Kontakt-Abmessungen von weniger als 100 nm x 100 nm an. Gleichzeitig muss für Anwendungen ein ausreichender kritischer Strom zur Verfügung stehen. Dies erreichen wir durch den Einsatz von SNS-Kontakten mit HfTi-Barrieren; sie ermöglichen extrem hohe Stromdichten, die in einem weiten Bereich von ca. 50 kA/cm2 bis über 600 kA/cm2 reproduzierbar eingestellt werden können.

So haben wir nanoSQUIDs mit unterschiedlichsten, zum Teil sehr komplexen Designs hergestellt. Eine große Stärke des Prozesses ist es, dass in den Schaltungen die SQUID-Schleife (loop) in der Ebene (in-plane) und / oder senkrecht zur Ebene (out-of-plane) integriert werden kann. Diese SQUID-Schleifen können ebenfalls in den Nanometer-Bereich verringert werden, was zur hohen Ortsauflösung und Magnetfeld-Widerstandsfähigkeit führt. Die beiden Raster-Elektronenmikroskop-(REM)-Bilder zeigen einzelne Strukturen der nanoSQUIDs.

REM-Aufnahme eines Details einer nanoSQUID-Schaltung (Design: PTB Berlin) nach zwei Prozessschritten. Deutlich sind die Josephson-Kontakte als kleine Quadrate auf den Niob-Leitungen in der Bildmitte zu erkennen.

Die so hergestellten nanoSQUIDs zeigen ein extrem kleines Flussrauschen im Bereich SΦ1/2 < 200 nΦ0/Hz1/2. Die Spin-Empfindlichkeit ist mit ca. 20 μB/Hz1/2  äußert hoch und soll weiter in Richtung Einzel-Spin Empfindlichkeit optimiert werden. Die nanoSQUIDs wurden erfolgreich in Magnetfeldern bis zu 0,5 T betrieben. Erste Anwendungen zur Detektion von magnetischen Nanopartikeln sind bereits erfolgt, wie z.B. in einem Raster-SQUID-Mikroskop zur Visualisierung von einzelnen Abrikosov-Vortizes sowie zur direkten Darstellung der Magnetisierung eines Nanotubes. Weitere Einzelheiten finden sich in den Opens internal link in current windowPublikationen unten auf dieser Seite.

Einige der dargestellten Arbeiten wurden bzw. werden zum Teil in nationalen und internationalen Projekten durchgeführt, z.B. im EMRP-Projekt "Opens external link in new windowMetNEMS" oder dem DFG-Projekt "Hochempfindliche nanoSQUIDs zur Detektion kleiner Spin-Systeme" (weitere Informationen Opens external link in new windowhier).

REM-Aufnahme eines Details einer Spule (Design: PTB Berlin). Die Leitungen der Niob-Verdrahtung haben eine Breite von 200 nm und einen Abstand von 200 nm. Deutlich erkennbar ist die hohe Qualität des Herstellungsprozesses.

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Publikationen zu nanoSQUIDs

J. Nagel, O.F. Kieler, T. Weimann, R. Wölbing, J. Kohlmann, A.B. Zorin, R. Kleiner, D. Koelle und M. Kemmler, "Superconducting quantum interference devices with submicron Nb/HfTi/Nb junctions for investigation of small magnetic particles", Appl. Phys. Lett. 99 (2011) 032506 (3 pp). (Opens external link in new windowdoi:10.1063/1.3614437)

R. Wölbing, J. Nagel, T. Schwarz, O. Kieler, T. Weimann, J. Kohlmann, A. B. Zorin, M. Kemmler, R. Kleiner und D. Koelle, "Nb nano superconducting quantum interference devices with high spin sensitivity for operation in magnetic fields up to 0.5 T", Appl. Phys. Lett. 102 (2013) 192601 (4 pp). (Opens external link in new windowdoi:10.1063/1.4804673)

A. Buchter, J. Nagel, D. Rüffer, F. Xue, D.P. Weber, O.F. Kieler, T. Weimann, J. Kohlmann, A.B. Zorin, E. Russo-Averchi, R. Huber, P. Berberich, A. Fontcuberta i Morral, M. Kemmler, R. Kleiner, D. Koelle, D. Grundler und M. Poggio, "Reversal mechanism of an individual Ni nanotube simultaneously studied by torque and SQUID magnetometry", Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 067202 (5 pp). (Opens external link in new windowdoi:10.1103/PhysRevLett.111.067202)

J. Nagel, A. Buchter, F. Xue, O. F. Kieler, T. Weimann, J. Kohlmann, A. B. Zorin, D. Rüffer, E. Russo-Averchi, R. Huber, P. Berberich, A. Fontcuberta i Morral, D. Grundler, R. Kleiner, D. Koelle, M. Poggio und M. Kemmler, "Nanoscale multifunctional sensor formed by a Ni nanotube and a scanning Nb nanoSQUID", Phys. Rev. B 88 (2013) 064425 (7 pp). (Opens external link in new windowdoi:10.1103/PhysRevB.88.064425)

S. Bechstein, F. Ruede, D. Drung, J.-H. Storm, C. Kohn, O.F. Kieler, J. Kohlmann, T. Weimann, T. Patel, Bo Li, D. Cox, J.C. Gallop, L. Hao und T. Schurig, "Design and fabrication of coupled nanoSQUIDs and NEMS", IEEE Trans. Appl. Supercond. 25 (2015) 1602604 (4 pp). (Opens external link in new windowdoi:10.1063/1.4909523)

S. Bechstein, F. Ruede, D. Drung, J.-H. Storm, O. F. Kieler, J. Kohlmann, T. Weimann und T. Schurig, "HfTi-nanoSQUID gradiometers with high linearity", Appl. Phys. Lett. 106 (2015) 072601 (4 pp). (Opens external link in new windowdoi:10.1063/1.4909523)

J. Beyer, M. Klemm, J.-H. Storm, O. Kieler, T. Weimann und V. Morosh, "Noise of dc-SQUIDs with planar sub-micrometer Nb/HfTi/Nb junctions", Supercond. Sci. Technol. 28 (2015), 085011 (8 pp). (Opens external link in new windowdoi:10.1088/0953-2048/28/8/085011)

A. Buchter, R. Wölbing, M. Wyss, O.F. Kieler, T. Weimann, J. Kohlmann, A.B. Zorin, D. Rüffer, F. Matteini, G. Tütüncüoglu, F. Heimbach, A. Kleibert, A. Fontcuberta i Morral, D. Grundler, R. Kleiner, D. Koelle und M. Poggio, "Magnetization reversal of an individual exchange-biased permalloy nanotube", Phys. Rev. B 92 (2015) 214432 (7 pp). (Opens external link in new windowdoi:10.1103/PhysRevB.92.214432)

M.J. Martínez-Pérez, D. Gella, B. Müller, V. Morosh, R. Wölbing, J. Sesé, O. Kieler, R. Kleiner und D. Kölle, "Three-axis vector nano superconducting quantum interference device", ACS Nano 10 (2016) 8308-8315. (Opens external link in new windowdoi:10.1021/acsnano.6b02218)

S. Bechstein, C. Köhn, D. Drung, J.-H. Storm, O. Kieler, V. Morosh und T. Schurig, "Investigation of nanoSQUID designs for practical applications", Supercond. Sci. Technol. 30 (2017) 034007 (9pp). (Opens external link in new windowdoi:10.1088/1361-6668/aa557f)

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