Neue Strategien für die Selbstsynchronisation sehr großer Josephson-Kontakt-Netzwerke
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es sollten neue Strategien für die Synchronisation sehr großer Josephson-Kontakt-Netzwerke untersucht werden, mit dem Ziel, Strahlungsquellen mit Wellenlängen im sub-mm-Bereich auf Basis phasensynchronisierter Josephson-Kontakte (JJs) deutlich voranzutreiben. Die Quellen sollten große durchstimmbare 1D- oder 2D-JJ-Arrays hoher Ausgangsleistung sein. Als Basis dienen SNS-JJs („S“ = Supraleiter, „N“ = Normalmetall), SN-Doppelschichten aus MoN (S-Schicht) und Cu (N-Schicht) oder YBa2Cu3O7 (YBCO) JJs, die durch fokussierte Helium- (HIM) oder Neon- (NIM) Ionenstrahlstrukturierung erzeugt werden. Wir begannen mit Arrays auf der Basis von Nb/NbSi/Nb JJs, die bis zu ca. 1600 JJs enthielten. Die Tieftemperatur-Rasterlasermikroskopie zeigte, dass sich entlang der Arrays stehende elektromagnetische Wellen aufbauen. Eine detaillierte Analyse ergab, dass die Stehwellen durch Oberflächenplasmonen gebildet werden, die sich an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Substrat ausbreiten, was zeigt, dass Oberflächenwellen einen wirksamen Mechanismus für die Kopplung über große Entfernungen und die Phasensynchronisation großer Arrays darstellen. Im Hinblick auf SN-Doppelschichten wurden lithografisch vorstrukturierte MoN/Cu-Mikrobrücken durch HIM nanostrukturiert und elektrisch charakterisiert. Es wurde erwartet, dass diese Schichten JJs mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften bilden, sobald sie im Nanomaßstab strukturiert sind. Tatsächlich haben wir vielversprechende Resultate gefunden. Es zeigte sich aber auch, dass die HIM-Strukturierung zu Problemen führt, wie etwa eine durch den Ionenstrahl verursachte Schwellung des Substrats. Dies wurde gelöst, indem HIM durch NIM ersetzt wurde. Diese gemeinsamen Aktivitäten wurden im Jahr 2022 eingestellt. Die Untersuchung der HIM-strukturierten YBCO JJs konzentrierte sich während des gesamten Projekts auf Tübingen. Nach Optimierungen konnten wir JJs mit elektrischen Eigenschaften (IcR-Produkte) herstellen, die gut genug sind, um einen Emitter bis zu THz-Frequenzen zu ermöglichen. Parallel dazu haben wir erste Versuche unternommen, große Arrays von YBCO-basierten JJs zu erstellen. Diese Versuche waren nicht erfolgreich. Wir untersuchten daher zunächst die gegenseitige Synchronisation zweier mit HIM strukturierter JJs. Es zeigte sich, dass die Einführung eines HIM-geschriebenen elektrischen Widerstands parallel zu den JJs eine nahezu lehrbuchartige Synchronisierung bis zu THz-Frequenzen induziert. Das Schema kann auf größere Arrays erweitert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Direct Visualization of Phase-Locking of Large Josephson Junction Arrays by Surface Electromagnetic Waves. Physical Review Applied, 14(2).
Galin, M.A.; Rudau, F.; Borodianskyi, E.A.; Kurin, V.V.; Koelle, D.; Kleiner, R.; Krasnov, V.M. & Klushin, A.M.
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Terahertz emission from mutually synchronized standalone Bi2Sr2CaCu2O8+x intrinsic-Josephson-junction stacks. Physical Review Applied, 22(4).
Wieland, Raphael; Kizilaslan, Olcay; Kinev, Nickolay; Dorsch, Eric; Guénon, Stefan; Song, Ziyu; Wei, Zihan; Wang, Huabing; Wu, Peiheng; Koelle, Dieter; Koshelets, Valery P. & Kleiner, Reinhold
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THz Properties of He-FIB YBa2Cu3O7-x Josephson Junctions. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 34(3), 1-5.
Pröpper, M.; Hanisch, D.; Schmid, C.; Ritter, P. J.; Neumann, M.; Goldobin, E.; Koelle, D.; Kleiner, R.; Schilling, M. & Hampel, B.
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YBa2Cu3O7 Josephson diode operating as a high-efficiency ratchet.
C. Schmid, A. Jozani, R. Kleiner, D. Koelle & E. Goldobin
