Neue Strategien für die Selbstsynchronisation sehr großer Josephson-Kontakt-Netzwerke

• Antragsteller: Professor Dr. Reinhold Kleiner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426145437

Ziel des Projekts ist es, neue Strategien für die gegenseitige Synchronisation sehr großer Josephson-Kontakt-Netzwerke (Arrays) zu untersuchen, um sub-mm Strahlungsquellen basierend auf phasensynchronisierten Josephson-Kontakten (JJs) erheblich zu verbessern. Die Quellen bestehen aus großen ein- oder zweidimensionalen JJ-Arrays und sollen in bezug auf die Ausgangsleistung die aktuellen Werte des Standes der Technik von einigen 10 µW um mindestens eine Größenordnung überschreiten. Die Quellen sollen über einen weiten Bereich von Emissionsfrequenzen abstimmbar sein. Wir werden Arrays basierend auf hauptsächlich drei verschiedenen Typen von JJs untersuchen. Der erste Typ sind SNS-Josephsonkontakte (mit "S" = Supraleiter, "N" = Normalmetall), wobei NbSi als Barrierenschicht verwendet wird. Mit diesen Arrays werden wir geeignete geometrische Konfigurationen und Synchronisationsschemata identifizieren und geeignete Hochfrequenzdesigns entwickeln, z. B. basierend auf Wanderwellenantennen. Wir möchten lernen, wie man Josephson-Systeme mit einem einfachen Satz von Oszillationsmoden konstruiert, die effektiv mit den JJs interagieren. Parasitäre Moden sollen unterdrückt werden, indem deren resistive Verluste durch geeignete Streifenelemente erhöht werden. Die zweite Art von JJs sind extern geshuntete SIS-Tunnelkontakte ("I" = Insulator), die AlOx oder AlN als Barriereschichten verwenden. Auf diesen JJs basierende Arrays ermöglichen zusätzlich die Integration von Elementen wie harmonische Mischer oder On-Chip-Detektionsschemata. Der dritte Typ von Arrays verwendet YBa2Cu3O7-Kontakte, die durch fokussiertes He-Ionenstrahlätzen erzeugt werden. Für diese Arrays sind sowohl die Herstellung als auch die Mechanismen der Synchronisation weniger etabliert als für die anderen, der mögliche Gewinn solcher Arrays besteht jedoch darin, dass wesentlich höhere Emissionsfrequenzen, die 1 THz überschreiten, zumindest im Prinzip möglich sind. Für alle Arrays werden wir charakteristische Kenngrößen (Ausgangsleistung, maximale Frequenz, Linienbreite der Strahlung) sukzessive verbessern und optimieren. Die Zielfrequenzen liegen im Bereich zwischen 0,2 und 1 THz, maximale Ausgangsleistungen im Bereich einiger 100 µW und Linienbreiten im Bereich von wenigen MHz oder weniger.Das vorgeschlagene Projekt bringt eine deutsche und drei russische Gruppen zusammen, die in ihrem Bereich alle international bekannt sind und Erfahrung mit internationalen Kooperationen haben. Jede Gruppe verfügt über eine anerkannte Erfolgsbilanz in einem für die Projektziele relevanten Bereich, und vorherige Kooperationen zwischen den teilnehmenden Gruppen waren äußerst erfolgreich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation, Schweden
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Alexander Klushin, Ph.D., bis 3/2022; Professor Dr. Valery P. Koshelets, bis 3/2022; Professor Dr. Vladimir Krasnov