Entwicklung supraleitender Bauelemente zur Untersuchung von kohärenten Quanten-Phasenschlupf Drähten
Die wissenschaftliche Fragestellung des vorliegenden Forschungsvorhabens ist eingebettet in die Forschung an funktionalen supraleitenden Dünnfilmsystemen. Diese können mit Methoden entliehen aus der Halbleitertechnologie hergestellt und bei kryogenen Temperaturen untersucht werden. Das Forschungsfeld reicht zurück bis zur Entdeckung der Supraleitung vor etwa 100 Jahren und hat sowohl zahlreiche konkrete Anwendungen als auch Nobelpreise für neu entdeckte physikalische Effekte
hervorgebracht.
Von fundamentaler Bedeutung in der physikalischen Forschung an Supraleitern und deren Anwendung ist der Josephson-Effekt, bei dem zwei Supraleiter kohärent durch einen dünnen Tunnelkontakt verbunden werden. Die äußerst sensitive und rauscharme SQUID-Technologie zur Messung kleinster Magnetfelder die u.a. in der Medizintechnik eingesetzt wird, sowie die heutige Definition der Spannungseinheit Volt basieren auf diesem Effekt.
Ähnliches Bedeutungspotential wie dem Josephson-Effekt steht auch dem ihm artverwandten Quanten-Phasenschlupf- (engl. Quantum-Phase Slip, QPS) Effekt in Aussicht, der kürzlich experimentell zweifelsfrei nachgewiesen werden konnte. Hierbei werden zwei Supraleiter durch einen wenige Nanometer dünnen, supraleitenden Draht verbunden. Diese Kopplung der beiden äußeren Supraleiter führt zu Eigenschaften die dem Josephson-Effekt in ihrer theoretischen Struktur sehr ähnlich sind. Im Gegensatz zu dem seit fast 50 Jahren bekannten Josephson-Effekt sind QPS-Drähte allerdings kaum experimentell untersucht. Das enorme wissenschaftliche sowie technologische Potential des QPS zeigt sich in der Metrologie, z.B. in der möglichen Definition des Amperes nur auf Basis von Naturkonstanten und der Sekunde. Physikalisch sehr interessant, aber bisher noch nicht untersucht ist hierbei die Möglichkeit QPS-Drähte mit der Eigenschaft zum Supraleiter-Isolator Übergang herzustellen und zu vermessen. Erste Experimente mit supraleitenden Qubits auf Basis von QPS-Drähten verliefen bereits erfolgreich.
Das präsentierte Forschungsvorhaben widmet sich der Untersuchung dieses QPSEffekts und seiner Anwendung als Bauelement unter Ausnutzung modernster Nano-Fabrikation, Mikrowellenmesstechnik und Tieftemperatur-Messmethodik.