Hochempfindliche on-Chip Spektroskopie von Bloch-Oszillationen und nicht-klassischer Strahlung in kleinen Josephson-Kontakten

• Antragsteller: Professor Dr. Fabian Hassler; Dr. Sergey Lotkhov
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445530728

Das Ziel unseres Vorhabens besteht darin, einen vertieften Einblick in die Bloch-Oszillations-Dynamik bei GHz-Frequenzen zu gewinnen. Die Bloch-Oszillationen entstehen unter bestimmten Voraussetzungen in kleinen Josephson-Kontakten und bieten eine physikalische Realisierungsgrundlage für den quantengenauen elektrischen Präzisionsstrom im metrologisch sehr attraktiven nA-Bereich. Eine störungsarme Realisierung von quantisierten Strömen durch die Festlegung der Bloch-Frequenz f_B mit I_B = 2e x f_B, stellt allerdings eine große Herausforderung dar. Die größten Schwierigkeiten entstehen aufgrund von thermischen und Quanten-Fluktuationen, die in vielen bisher untersuchten Detektions-Layouts zum Verlust der Phasenkohärenz geführt haben. Unser experimenteller state-of-the-art Lösungsansatz sieht die Entwicklung einer integrierten Mikrowellen-Spektroskopieschaltung für die hochempfindliche, verlustarme Detektion der Bloch-Oszillationen unmittelbar auf demselben Chip vor. Die experimentellen Entwicklungen erhalten wichtige Unterstützung seitens der Theorie durch eine Vorfeld-Designoptimierung und das Herausfinden eines stabilen Funktionsbereiches für die Beobachtung der ungedämpften Oszillationen. Als ein weiteres Ziel prüfen wir die Realisierbarkeit eines alternativen „Quanten-Hall-Effektes“ durch die supraleitende Implementierung des von-Klitzing-Widerstandsquantums, R_k = h/4e^2 = V_J/I_B, wobei V_J für Josephson-Spannung steht. Für diesen Zweck sollen die jeweiligen Bloch- und Josephson-, f_J = 2eV_J/h, Oszillationsfrequenzen aneinander und zugleich an die Resonanzfrequenz, f_R = f_B = f_J, eines lokalen Resonators mit hohem Gütefaktor gekoppelt werden. Des Weiteren ist ein wichtiger Bestandteil unseres Vorhabens die theoretische Untersuchung nicht-klassischer Strahlung, die in experimentell realisierten Resonatormoden entsteht, sowie der Quantenstatistik der Photonen, die aus dem phasengekoppelten Resonanzsystem unterhalb der klassischen Instabilitätsschwelle ausgestrahlt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen