DE4436448C1 - SQUID mit supraleitender Schleife und Resonator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein supraleitendes Quanten- Interferometer (SQUID) mit schichtförmig auf der Vorder­ seite eines Substrates gebildeter, einen Josephson-Kontakt enthaltender supraleitender Schleife und mit einem supraleitenden Resonator, der zur Ankopplung an SQUID-Signale der Schleife vorgesehen ist.

Aus Y. Zhang et al., Supercond. Sci. Technol., 7, 1994, S. 269-272 ist ein SQUID für den Hochfrequenzbereich (HF-SQUID) bekannt, bei dem auf einer erste (Vorder-)Seite eines Substrats eine supraleitende Schicht gebildet und lateral in Form einer Schleife mit Mikrobrücke als Josephson-Kontakt strukturiert ist.

Dabei ist die SQUID-Schleife so ausgebildet, daß sie gleichzeitig als flußfokussierendes Element die Fokussierung eines magnetischen Flusses in die Schleifenöffnung hinein bewirkt. Außerdem ist auf der Vorderseite des Substrats ein supraleitender Resonator vorgesehen, der mit der SQUID-Schleife gekoppelt ist.

Der Resonator ist dabei als λ-Resonator ausgebildet, wenn auch beispielsweise aus M. Strupp et al., Contribution to the Workshop on HTS Josephson Junctions and 3-Terminal Devices, University of Twente, The Netherlands, 2-4 May 1994, ein SQUID mit S-förmigem λ/2-Resonator bekannt ist. Dabei ist der Resonator in Mikrostreifenkonfiguration hergestellt.

Zwar hat ein solcher SQUID mit λ/2-Resonator eine relativ hohe Energieauflösung bei relativ niedrigem Rauschen. Nachteilig ist jedoch die mäßige Resonatorgüte in der Größenordnung von bis zu etwa 3000 bei 77 K. Außerdem zeigen die SQUIDs mit λ/2- Resonator aus Platzgründen auf der Resonator-SQUID- Schleifen-Seite des Substrats nur relativ kleine Fluß­ fokussierungselemente, so daß die Feldauflösung sehr gering ist.

Demgegenüber vergleichsweise besser ist die Feldauflösung bei SQUIDs mit λ-Resonator. Nachteilig bei diesen SQUIDS ist jedoch ein verhältnismäßig großes Flußrauschen bei kleinen Resonatorgüten in der Größenordnung von etwa 300 bei 77 K.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen SQUID mit gekop­ peltem Resonator zu schaffen bei dem die genannten Nachteile verringert sind und das, gegenüber den bekannten SQUIDs eine erhöhte Energieauflösung bei niedrigem Rauschen und hoher Feldempfindlichkeit aufweist.

Die Aufgabe wird durch einen SQUID mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Es wurde erkannt, den Washer-SQUID als Grundplatte eines supraleitenden Streifenleitungs-Resonator auszu­ bilden, der aus drei übereinander parallel angeordne­ ten, durch jeweils ein als Dielektrikum wirkendes Substrat getrennten, supraleitenden Schichten besteht. Die mittlere supraleitende Schicht ist in Form des Resonatorteils strukturiert. Der Resonatorteil kann dabei gegebenenfalls Koppelleitungen enthalten. Damit das maximale SQUID-Signal ausgelesen werden kann, ist der SQUID lateral an einem Ort positioniert, wo der Hochfrequenzstrom fließt.

Je kleiner die Kopplung k des SQUIDs an den Resonator, desto größer ist das auslesbare SQUID-Signal. Dies gilt unter der Voraussetzung

k²_*Q_L 1.

Dabei ist Q_L die belastete Güte des Resonators. Da diese im vorliegenden Fall sehr groß sein kann, kann k klein gewählt werden. Die Kopplung k ist gleichläufig zum HF-Strom im SQUID-Schleifenbereich.

Eine Einstellung von k kann somit zum einen durch laterale Verschiebung des SQUIDs relativ zum Resonator erzielt werden. Zum anderen kann die Änderung von k auch durch Variation des Abstandes des SQUIDs zum Resonator gezielt eingestellt werden.

Schließlich ist die dritte supraleitende Schicht auf der Rückseite des zweiten Substrats lateral so struk­ turiert, daß sie der Strukturierung der SQUID- Schleifenstruktur auf der Vorderseite des ersten Substrats mit Ausnahme des Bereichs des Josephson- Kontaktes entspricht. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die flußfokussierende Wirkung der ersten Schicht durch diese dritte supraleitende Schicht unterstützend verstärkt.

Im Ergebnis erhält man einen SQUID, der die bisherigen Vorzüge bekannter Mikrowelle-SQUIDs, insbesondere die hohe Energieauflösung und niedriges Rauschen, weiter verbessert und gleichzeitig eine hohe Feldempfind­ lichkeit erreicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 Schematischer Querschnitt durch den erfindungsgemäßen SQUID in der in Fig. 2a-c angedeuteten A-A-Ebene,

Fig. 2a Schematische Darstellung der lateralen Geometrie der die SQUID-Schleife mit Josephson-Kontakt und Flußfokussierungs­ element bildenden, erste, supraleitenden Schicht auf dem ersten Substrat,

Fig. 2b Schematische Darstellung der lateralen Geome­ trie des U-förmigen Resonators auf dem zweiten Substrat,

Fig. 2c Schematische Darstellung der lateralen Geome­ trie der dritten, supraleitenden Schicht auf der Rückseite des zweiten Substrats.

In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer SQUID im Quer­ schnitt durch die in den Fig. 2a bis 2c dargestellte A-A-Ebene schematisch dargestellt. Die eine Seite eines erste LaAlO₃-Substrats 1 weist eine supraleitende YBa₂Cu₃O₇-Schicht 2 auf, die zur Bildung der SQUID- Funktion lateral geeignet strukturiert ist (Fig. 2a).

Ein zweites LaAlO₃-Substrat 3 weist auf einer Seite zur Bildung des Resonators 4 eine lateral, U-förmig strukturierte, supraleitende YBa₂Cu₃O₇-Schicht auf (Fig. 2b). Dabei weist das zweite Substrat 3 auf der Rückseite eine weitere, supraleitende YBa₂Cu₃O₇-Schicht 5 auf, deren laterale Geometrie in Fig. 2c dargestellt ist.

Das zweite Substrat 3 wird relativ zum ersten Substrat 1 so positioniert, daß im Ergebnis drei parallel angeordnete, supraleitende YBa₂Cu₃O₇-Schichten, jeweils voneinander getrennt durch dielektrisches LaAlO₃ 1 und 3, gebildet sind.

In den Fig. 2a bis 2c sind schematisch die lateralen Geometrien der drei supraleitenden Schichten 2, 4, 5 dargestellt.

Die laterale Strukturierung der supraleitenden Schicht 2 weist einen quaderförmigen Schichtbereich auf, in deren Mitte eine SQUID-Schleifen-Öffnung 6 von 50_* µm² und außerdem eine supraleitende Mikro­ brücke als Josephson-Kontakt 7 und eine schlitzförmige Öffnung 8 - zur Maximierung der flußfokussierenden Wirkung der Schicht 2 - enthalten sind.

In Fig. 2b ist der supraleitende, planare Resonator 4 relativ zur quaderförmigen Ausbildung der supra­ leitenden Schicht 2 oder 5 als U-förmig strukturierte, supraleitende Schicht 4 dargestellt.

Schließlich zeigt die Fig. 2c die laterale Geometrie der supraleitenden Schicht 5. Sie entspricht bis auf die supraleitende Mikro-Brücke als Josephson-Kontakt 7 der lateralen Geometrie der SQUID-bildenden Schicht 2. Entgegen der geneigten Darstellung ist jedoch die der Schleifenöffnung 6 entsprechenden Öffnung in der Schicht 5 nicht gleich groß, sondern tatsächlich - zur Erhöhung der flußfokussierenden Wirkung der Schicht 5 - zu 300_*300 µm² gewählt.

Der in den Fig. 1, 2a bis 2c dargestellte SQUID mit U- förmigem Resonator ist als System modular aufgebaut, so daß dadurch die Möglichkeit gegeben ist, den Resonator 4 mit Substrat 3 und Schicht 5 gegen das System aus Substrat 1 und Schicht 2 auszutauschen.

Die des Resonators kann einfach ermittelt werden, indem man an Stelle des SQUIDs 1, 2 einen supraleitenden Film als Endplatte einsetzt.

Der modulare Aufbau erlaubt auf diese Weise das System 4, 3 und 5 als Test-System für Washer-SQUIDs 1 und 2 mit verschiedenen Parametern wie z. B. die SQUID- Induktivität β_L, einzusetzen. Bei einer solchen verfahrensmäßigen Vorgehensweise läßt sich der optimale Betriebsmodus eines ausgewählten Washer-SQUIDs finden.

Des weiteren ist es dabei vorstellbar, dabei die Temperatur des Systems zu variieren oder auch die Koppelstärke bzw. Resonatortiefe durch gezielte Veränderung des Abstandes zwischen SQUID und Resonator, z. B. durch Wahl von Substraten 1 unterschiedlicher Dicke, einzustellen.

Das vorliegende SQUID-Resonator-System kann auch mit einer Ausleseelektronik über Zweitorankopplung, wie es beispielsweise aus M. Hein et al., Contribution to the Workshop on HTS Josephson Junction and 3-Terminal Devices, University of Twente, The Netherlands, 2-4 May 1994 bekannt ist, betrieben werden.

Der erfindungsgemäße SQUID kann sowohl im HF-Bereich als auch bei niedrigen Frequenzen mit- herkömmlicher Ausleseelektronik für RF-Washer-SQUIDs betrieben werden.

Außer U-förmigen Resonatoren können auch S-förmige, λ- oder λ/2-Resonatoren beim erfindungs­ gemäßen SQUID zum Einsatz kommen.

Allgemein zum Betrieb ist es zweckmäßig, das System in ein hochfrequenzmäßig dichtes, aber für den Regelfall magnetisch durchlässiges Gehäuse einzubauen. Zu diesem Zweck können als Abschlüsse der Resonatorgrundplatten metallisierte Isolatoren eingesetzt werden, die die oben angeführte Bedingung aufgrund der Frequenzab­ hängigkeit der Skintiefe erfüllen.

Für den in den Fig. 1 und 2a bis 2c dargestellten SQUID wurden Substratdicken von 0,5 mm und Schichtdicken für die supraleitenden Schichten 2, 4 und 5 von jeweils 200 nm YBa₂Cu₃O₇ gewählt. Die beiden Enden des U-förmigen Resonators waren etwa 5 mm voneinander entfernt, die Abmessungen der quaderförmigen Schichten 2 und 5 betrugen 88 mm².

Claims (1)

1. SQUID mit schichtförmig auf der Vorderseite eines Substrats (1) gebildeter, einen Josephson-Kontakt (7) enthaltender, supraleitender Schleife und mit einen supraleitenden Resonator (4), dadurch gekennzeichnet, daß

   • - der Resonator (4) schichtförmig gebildet mit der Vorderseite eines zweiten Substrats (3) fest verbunden ist,
   • - der Resonator (4) an der Rückseite des ersteren Substrats (1) anliegt,
   • - das zweite Substrat (3) auf seiner Rückseite eine supraleitende Schicht (5) aufweist, die lateral geometrisch der Strukturierung der Schleife des ersten Substrats (1) mit Ausnahme der Beschichtung im Bereich des Josephson-Kontaktes (7) entspricht und
   • - als Substratmaterial (1, 3) dielektrisches Material verwendet ist.