Neuer Supraleiter für Hybrid-Chips der Zukunft

Physiker der Universität Jena, Deutschland, haben mittels Dünnschicht-Technologie einen drei mal drei Mikrometer großen Kontaktstapel (Mesa) aus supraleitendem Material erzeugt und stoßen damit das Tor zu einer weiteren Miniaturisierung kryoelektronischer Bauelemente auf.

Eine Billion Hertz
Der Jenaer Universitätsprofessor Paul Seidel spürt dem "intrinsischen Josephsoneffekt" nach, der sich in Hochtemperatursupraleiter-Material auf atomarer Ebene einstellt, und baute bereits erste drei mal dei Mikrometer winzige Kontaktstapel (Mesa), die mühelos mit sehr hohen Frequenzen über einer Billion Hertz arbeiten.

Seidel als schwebender Professor

"Cooper-Paare" leiten supra

In supraleitenden Materialien wird Strom bei sehr niedrigen Temperaturen ohne elektrischen Widerstand, also verlustfrei, transportiert.

Das besorgen so genannte Cooper-Paare, die innerhalb der Elektronenstruktur des Leiters ein eigenes System bilden.

Nachrichtentechnik

Spannungsnormale zur Kalibrierung von Messgeräten mit Hilfe von Josephson-Kontakten sind weltweit inzwischen Standard. In der Nachrichtentechnik baut man hoch präzise Mikrowellengeber, und in der chemischen Analytik werden bereits Spektrometer eingesetzt, die die Wechselwirkungen mit leistungsschwachen externen Strahlungsquellen, also z. B. Molekülschwingungen chemischer Substanzen, nutzen.

Cooper koppeln

Bringt man nun zwei solcher Cooper-Paar-Systeme in eine schwache Kopplung, etwa indem man zwei Supraleiter nur durch einen extrem dünnen Isolator voneinander trennt, so stellen sich jene Effekte ein, die der Waliser Physiker Brian Josephson 1962 vorhersagte und die sich ein Jahr später experimentell bestätigten.

An der Kontaktstelle fließt Strom bis zu einem Maximalwert, ohne dass die Spannung abfällt, und durch ein angelegtes äußeres Magnetfeld lässt sich die kritische Stromstärke modulieren. Zweitens erzeugen höhere Stromstärken auch eine sehr hochfrequente Spannung, wobei Spannung und Frequenz eindeutig voneinander abhängen, die Frequenz also über die Spannung regelbar ist.

Eiskristalle
Der Clou besteht darin, dass bereits die Materialien in einer Kristallrichtung eine innere Struktur von supraleitenden und isolierenden Ebenen aufweisen, also einen Stapel von Josephson-Kontakten auf atomarer Ebene bilden. Dieser Effekt, ursprünglich an Einkristallen entdeckt, wurde in Jena erstmals auf dünne Schichten übertragen. Das ganze System befindet sich auf einem nur 5 x 10 mm großen Chip, arbeitet mit minimalem Kühlaufwand und generiert Schwingungsfrequenzen sogar im Terahertz-Bereich.

Arbeitsgruppe Tieftemperaturphysik

Neue Chipgeneration

"Damit lassen sich zum Beispiel noch kleinere und noch empfindlichere Messinstrumente bauen, die elektromagnetische Strahlung etwa im Mikrowellen- und Infrarotbereich detektieren", erläutert Seidel.

Dabei denkt er auch an eine neue Chip-Generation, die Supra- und Halbleitertechnologie auf einem Dünnschichtsystem hybridisiert. Allerdings verschweigt er nicht, dass die extreme Miniaturisierung in der Praxis noch eine ganze Menge Probleme bereitet.

Seidel:

"Wir haben sehr lange gebraucht, bis wir unsere Mesa-Prototypen hinreichend exakt und mit scharfen Kantenstrukturen fehlerfrei aus der Grundplatte herausgeätzt hatten. Deshalb, und weil die Kopplung verschiedener Komponenten auf dem Chip noch recht schwierig ist, wird es bis zur industriellen Anwendung wohl noch ein paar Jährchen dauern."