Neuartige NanoSQUIDs zur Detektion kleiner Spin-Systeme

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Sylke Bechstein; Dr. Oliver-Franz-Otto Kieler; Professor Dr. Dieter Kölle
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249226987

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Forschungsprojekt wurden neuartige supraleitende Quanteninterferenzdetektoren mit Submikrometer-Abmessungen (nanoSQUIDs) entwickelt und untersucht. NanoSQUIDs sind in der Lage, das magnetische Dipolfeld kleinster magnetischer Systeme wie magnetischer Nanopartikel (MNP) oder molekularer Magnete mit einer Spinempfindlichkeit in der Größenordnung eines Elektronenspins in einer Bandbreite von 1 Hz direkt zu detektieren. Die nanoSQUIDs werden mit einer Multilagen-Niob (Nb) Dünnschichttechnologie hergestellt, mit ultrakleinen (bis hinab zu 80 nm Durchmesser) Nb/HfTi/Nb Josephson-Kontakten (JK) mit hoher kritischer Stromdichte und mit normalleitender HfTi-Barriere – anstelle der häufig verwendeten Josephson-Kontakte mit geometrischen Einschnürungen. Dies bietet den Vorteil der Kombination der Realisierung von SQUIDs mit sehr kleiner Schleifeninduktivität und daher extrem niedrigem Flussrauschen mit einem Supraleiter-Multilagen-Ansatz für die Realisierung komplexer Bauelemente mit deutlich erhöhter Funktionalität für verschiedene Anwendungen. Im Rahmen des Projekts haben wir den Fabrikationsprozess auf drei unabhängige Nb-Lagen erweitert, und wir haben SQUID-Systeme mit nanostrukturierten supraleitenden Aufnehmerschleifen entwickelt. Wir untersuchten grundlegende Eigenschaften von einzelnen JK; dazu gehören Selbstheizeffekte und die Strom-Phasen-Beziehung (CPR), welche den Suprastrom mit der Phasendifferenz der supraleitendenden Wellenfunktionen über die JK verknüpft. Die CPR wurde in Multi-Terminal, Multi-JK SQUIDs untersucht. Dies umfasste Experimente und numerische Simulationen, auch im Spannungszustand, und wurde ergänzt durch numerische Simulationen von 2-JK SQUIDs, um das Verständnis des Einflusses von nicht-sinusförmigen CPR auf die experimentell zugängliche Modulation des maximalen Suprastroms mit angelegtem magnetischem Fluss im SQUID-Ring zu verbessern. Zudem analysierten wir mithilfe numerischer Simulationen die magnetische Kopplung (Kopplungsfaktor) im Nahfeld- und Fernfeld-Regime zwischen einem punktförmigen magnetischen Dipol und einem nanoSQUID für verschiedene SQUID-Geometrien. Unsere Ergebnisse liefern quantitative Informationen über die Spinempfindlichkeit, welche als Funktion der Orientierung eines MNP und seines Abstands zum nanoSQUID erreicht werden kann. Und schließlich haben wir einen Algorithmus zur Optimierung der Ausrichtung eines externen Magnetfelds bei Messungen der Magnetisierungsumkehr von MNP entwickelt und die Integration von nanoSQUIDs in Mikrowellenschaltkreise untersucht. Wir verbesserten 3-Achsen-Vektor nanoSQUIDs (entwickelt für die simultane Detektion aller drei orthogonaler Raumkomponenten des magnetischen Moments eines MNP) und analysierten deren Kopplung an MNP, und wir implementierten die Nanopositionierung von MNP mit Wolfram- Nanospitzen in nur wenigen Nanometern Abstand zu nanoSQUIDs. Diese Aktivitäten bereiten den Weg für die Durchführung von ultra-empfindlichen quantitativen Messungen der Magnetisierungsumkehr an individuellen MNP.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• YBa2Cu3O7 and Nb NanoSQUIDs for the Investigation of Magnetization Reversal of Individual Magnetic Nanoparticles. 2019 IEEE International Superconductive Electronics Conference (ISEC), 1-3. IEEE.
  Müller, B.; Lin, J.; Linek, J.; Karrer, M.; Limberger, F.; Koch, L.; Goldobin, E.; Kleiner, R.; Koelle, D.; Morosh, V.; Weimann, T.; Kieler, O. F.; Sesé, J. & Martínez-Pérez, M.J.
  
• Highly sensitive nanoSQUIDs for investigations of magnetic nanoparticles. Dissertation, Univ. Tübingen
  Benedikt Müller
  
• Transport and Noise Properties of sub-100-nm Planar Nb Josephson Junctions with Metallic Hf - Ti Barriers for nano-SQUID Applications. Physical Review Applied, 14(5).
  Morosh, V.; Linek, J.; Müller, B.; Martínez-Pérez, M.J.; Wolter, S.; Weimann, T.; Beyer, J.; Schurig, T.; Kieler, O.; Zorin, A.B.; Kleiner, R. & Koelle, D.
  
• Nb -Based Nanoscale Superconducting Quantum Interference Devices Tuned by Electroannealing. Physical Review Applied, 15(3).
  Collienne, Simon; Raes, Bart; Keijers, Wout; Linek, Julian; Koelle, Dieter; Kleiner, Reinhold; Kramer, Roman B.G.; Van de Vondel, Joris & Silhanek, Alejandro V.
  
• Fabrication Process for Deep Submicron SQUID Circuits with Three Independent Niobium Layers. Micromachines, 12(4), 350.
  Wolter, Silke; Linek, Julian; Altmann, Josepha; Weimann, Thomas; Bechstein, Sylke; Kleiner, Reinhold; Beyer, Jörn; Koelle, Dieter & Kieler, Oliver
  
• Herstellung und Charakterisierung von hochintegrierten Nb nanoSQUIDs mit Nb/HfTi/Nb-Josephson-Kontakten. Dissertation, Univ. Tübingen
  Silke Wolter
  
• Static and dynamic transport properties of multi-terminal, multi-junction microSQUIDs realized with Nb/HfTi/Nb Josephson junctions. Superconductor Science and Technology, 35(8), 085006.
  Wolter, S.; Linek, J.; Weimann, T.; Koelle, D.; Kleiner, R. & Kieler, O.
  
• Niobium quantum interference microwave circuits with monolithic three-dimensional nanobridge junctions. Physical Review Applied, 21(2).
  Uhl, Kevin; Hackenbeck, Daniel; Peter, Janis; Kleiner, Reinhold; Koelle, Dieter & Bothner, Daniel
  
• On the coupling of magnetic moments to superconducting quantum interference devices. Superconductor Science and Technology, 37(2), 025010.
  Linek, J.; Wyszynski, M.; Müller, B.; Korinski, D.; Milošević, M. V.; Kleiner, R. & Koelle, D.