Physikalische Grenzen der Empfindlichkeit eines monolithischen supraleitenden THz Sensors aus einer galvanisch-entkoppelten Nanobrücke.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt wurden Nano-Inseln aus dünnen NbN- und Hf-Schichten untersucht. Dazu wurde eine Herstellungstechnologie für ultra-dünne Schichten mit eingebetteten Nano-Inseln auf der Basis von Sputterverfahren, Elektronenstrahllithografie und Ionenstrahlätzen entwickelt. In den bisher bekannten Strukturierungsverfahren wurden die supraleitenden Eigenschaften der Nano-Inseln zerstört. Im Projekt ist es gelungen, hervorragende supraleitende Eigenschaften nach der Strukturierung zu erhalten. Durch den Einsatz von Nb-Kontaktschichten konnten auch sehr gute elektrische Kontakte zu den Hf-Schichten erzeugt werden. Basierend auf dieser Technologie wurden Mikrowellenresonatoren mit eingebetteten Nano-Inseln und Detektoren hergestellt und untersucht. Auf der Grundlage unserer elektromagnetischen Simulationen wurden entsprechende Resonatoren mit der erforderlichen Einbettungsimpedanz für die Nano-Inseln entworfen. Die zugehörigen THz-Antennen wurden ebenfalls entworfen und hergestellt. Die Mikrowelleneigenschaften der Resonatoren wurden untersucht. Leider konnten während der Corona Pandemie weitere erforderliche Hf-Schichten von unseren Kooperationspartnern aus Moskau nicht mehr bereitgestellt werden. Deshalb wurden an den gleichen entworfenen Resonatoren Nano-Inseln aus NbN eingebracht und die ursprünglich für Hf-Inseln geplanten Untersuchungen an NbN-Inseln durchgeführt. Es konnten die unterschiedlichen Typen von Fluktuationen der Elektronenenergie der heißen Ladungsträger identifiziert werde und in einer beachteten Publikation in Physical Review B veröffentlicht werden. Das Verhalten der Nano-Inseln unter dem Einfluss von Mikrowellenströmen wurde intensiv untersucht und es konnte ein getaktetes Detektionsverfahren für Detektoren vorgeschlagen werden. Zur Verbesserung der Einkopplung von Photonen in die Nanostrukturen wurden völlig neuartige 3D-Linsensysteme entwickelt und erstmal nachgewiesen, dass damit eine höhere Quanteneffizienz der Detektoren erreichbar ist. Es wurde das Jitter-Verhalten von langen Nanobrücken untersucht und erstmals erfolgreich an NbN-Nanobrücken aus Atomic-Layer-deponierten Schichten demonstriert. Einen besonderen Schwerpunkt in dem gemeinsamen Projekt zwischen dem IMS und dem Physikalischen Institut bestand in der Entwicklung eines Laser-Scanning Mikroskops, das in der Lage ist, Proben bei kryogenen Betriebstemperaturen von bis zu 10 mK zu untersuchen. Dieses Laser-Scanning Mikroskop wurde entworfen und erfolgreich aufgebaut.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Impact of Antenna Design on the Electric-Field Direction Sensitivity of Zero-Biased Y–Ba–Cu–O Detectors to Ultra-Short THz Pulses. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 29(5), 1-5.
Schmid, Alexander; Kuzmin, Artem; Steinmann, Johannes L.; Raasch, Juliane; Wuensch, Stefan; Ilin, Konstantin; Muller, Anke-Susanne & Siegel, Michael
-
Local thermal fluctuations in current-carrying superconducting nanowires. Physical Review B, 102(18).
Semenov, Alexej D.; Sidorova, Mariia; Skvortsov, Mikhail A.; Kuzmin, Artem; Ilin, Konstantin & Siegel, Michael
-
Spectral filtering with diffractive reflection gratings for fast superconducting detectors in the THz frequency range. Journal of Physics: Conference Series, 1559(1), 012017.
Schmid, A.; Kuzmin, A.; Wuensch, S.; Ilin, K.; Bruendermann, E.; Scherhaufer, D.; Mueller, A.-S. & Siegel, M.
-
Synchronous single-photon detection with self-resetting, GHz-gated superconducting NbN nanowires. Applied Physics Letters, 117(13).
Knehr, E.; Kuzmin, A.; Doerner, S.; Wuensch, S.; Ilin, K.; Schmidt, H. & Siegel, M.
