15.12.2022

Neuer Quanteneffekt in supraleitenden Nanodrähten

Stufen in der Strom-Spannungs-Kennlinie als Basis für einen neuen Stromstandard.

Die supraleitende Nano­technologie ist ein sich schnell entwickelndes Gebiet mit vielver­sprechenden Anwendungen im Bereich der Quantentechnologien, wie supraleitende Quanten­prozessoren auf Basis von Qubits mit Josephson-Tunnelkontakten. Ein internationales Team konnte nun unter Beteiligung des Leibniz-IPHT einen weiteren quanten­mechanischen Effekt in Supraleitern nachweisen. Der Photonen-unterstützte kohärente Quanten-Phase-Slip-Effekt (CQPS) in einem supraleitenden Nanodraht zeigt sich in der Bildung von Stromstufen in der Strom-Spannungs-Kennlinie unter Einwirkung von Mikrowellen­strahlung.

Abb.: Experimentell bestimmte Stromstufen als Funktion der...
Abb.: Experimentell bestimmte Stromstufen als Funktion der Mikrowellen­leistung. (Bild: RHUL)

Der CQPS-Effekt wurde vor mehr als dreißig Jahren theoretisch vorausgesagt und Hinweise auf Stromstufen dieser Art konnten bereits in kleinen Josephson-Kontakten beobachtet werden. Beim Wechsel von einem Josephson-Kontakt zu einem supra­leitenden Nanodraht aus dünnen Schichten von hochwertigem Niob­nitrid konnten die Forschenden nun scharfe und deutliche Stufen in der Strom-Spannungs-Charak­teristik beobachten. Der demonstrierte Effekt kann für verschiedene Anwendungen genutzt werden, zum Beispiel für den Nachweis oder die Emission von Strahlung. Die wichtigste potenzielle Anwendung ist jedoch die Entwicklung eines metrologischen Strom­standards. Bei der ersten Stromstufe wird genau ein Cooper-Paar pro Periode der Mikrowellen­strahlung durch den Nanodraht übertragen.

Die Stromstufen entstehen durch quanten­mechanisches Tunneln eines lokalisierten Magnetfelds, das einem einzelnen Flussquantum entspricht, quer durch den Nanodraht, was zu einem Phasensprung der Wellen­funktion der Cooper-Paare um  führt. Die mathe­matische Beschreibung des Phase-Slip-Tunnelns und der Bildung der Stromstufen ähnelt der der bekannten Shapiro-Spannungs­stufen in Josephson-Kontakten, die derzeit in Josephson-Spannungs­normalen verwendet werden. Die mathe­matische Ähnlichkeit zwischen den beiden Effekten deutet darauf hin, dass das auf dem Phase-Slip-Effekt basierende Stromnormal auf die gleiche Weise realisiert werden kann wie das auf Shapiro-Stufen basierende Spannungs­normal.

Die neuen Erkenntnisse basieren auf einer Reihe von Experimenten, die an der Royal Holloway Universität London sowie am National Physical Laboratory simuliert und durchgeführt wurden. Eine der wichtigsten Voraus­setzungen, die den Erfolg der Experimente sicherten, war die Entwicklung und Herstellung hoch­qualitativer ultradünner Niobnitrid-Filme, die am Leibniz-IPHT in Jena realisiert wurden. Alle bisher existierenden und getesteten supra­leitenden Materialien waren für diese Art von Experimenten nicht geeignet. Die theoretische Analyse wurde an der Aalto-Uni­versität durchgeführt.

Die ultradünnen Niobnitrid-Schichten mit einzigartigen strukturellen und elektrischen Eigenschaften wurden mit Hilfe der Atomlagen­abscheidung in enger Zusammenarbeit zwischen der Abteilung Quanten­systeme und dem Kompetenzzentrum für Mikro- und Nano­technologie des Instituts realisiert. Mehr als zehn Jahre Forschung an supra­leitenden Niobnitrid-Nanoschichten ebneten den Weg für den Erfolg des demonstrierten Quanten­experiments. Das neuartige und einzigartige Verfahren zur Abscheidung von Niobnitrid-Schichten wurde am Institut entwickelt, um qualitativ hochwertige ultradünne Schichten herzustellen, die die von quanten­theoretischen Ansätzen postulierten Eigen­schaften eines ungeordneten Supraleiters bei extrem niedrigen Temperaturen zeigen.

IPHT / JOL

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