Supraleitende Quanten-Interferenz-Filter

Abstract

In dieser Arbeit wird eine Theorie zur Beschreibung der Spannungsantwortfunktion supraleitender nichtlinearer Josephson-Kontakt-Netzwerke entwickelt. Die betrachteten Netzwerke sind supraleitende Quanten-Interferometer und bestehen aus der Parallel- oder Serienschaltung einer Vielzahl von supraleitenden Schlaufen, die jeweils von zwei Josephson-Kontakten gebildet werden. Durch die explizite Ableitung und Analyse von Netzwerkgleichungen wird bestimmt, wie der zeitliche Mittelwert der Spannung über stromgetriebene Netzwerke vom äußeren Magnetfeld und vom Transportstrom abhängt und wie die Spannungsantwort von der Flächenverteilung der Netzwerkschlaufen und den Parameterwerten der Josephson-Kontakte bestimmt wird.

Die Diskussion zeigt, dass Netzwerke mit unkonventionellen Flächenverteilungen, die durch Schlaufenflächen stark unterschiedlicher Größe ausgezeichnet sind, eine nichtperiodische Magnetfeld-Spannungs-Charakteristik besitzen, die nur in der Umgebung verschwindender Magnetfeldwerte signifikant und eindeutig ist. Aufgrund dieser Eigenschaft werden solche Netzwerke als 'Supraleitende Quanten-Interferenz-Filter' (SQIF) bezeichnet.

Neben der Eindeutigkeit ihrer Spannungsantwort zeichnen sich SQIFs durch eine sehr große Imperfektionstoleranz und eine erhöhte Sensitivität im Vergleich zu konventionellen Zwei-Kontakt-Interferometern (dc SQUIDs) aus. SQIFs besitzen eine große Robustheit gegen Parameterstreuungen und eine große Stabilität gegen strukturelle Streuungen, was den Einsatz einfacher Technologien und die Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitern zur Herstellung von SQIFs ermöglicht. Die genannten Eigenschaften machen SQIFs zu einer neuartigen Klasse von supraleitungselektronischen Bauelementen, die für eine Vielzahl von Anwendungen sehr interessant sind.

Die theoretischen Vorhersagen wurden in ersten Experimenten mit SQIF-Schaltungen bestätigt, die auf der Basis der entwickelten theoretischen Modelle konzipiert wurden.

In this work a theory is developed, which describes the voltage response function of superconducting nonlinear arrays of Josephson junctions. The arrays investigated are superconducting quantum interferometers and consist of a multiplicity of superconducting loops connected in parallel or in series, each loop comprising two Josephson junctions. An explicit derivation of the dynamical network equations is given and the analysis of these equations reveals how the time average of the voltage drop of current-driven networks depends on the external magnetic field and on the applied bias current. Special emphasis is given to the question how the junction parameters and the distribution of the area loop sizes determine the voltage response function of the network.

The discussion shows that the voltage vs. magnetic field relations of networks with unconventional loop size distributions (which are characterized by loop areas of very different size) are nonperiodic functions, which are unique and significant only around a narrow global minimum at vanishing magnetic field. Due to this property such networks are called 'Superconducting Quantum Interference Filters' (SQIF).

In addition to this uniqueness in their voltage response SQIFs are characterized by a very large tolerance against imperfections and an enhanced sensitivity as compared to conventional two-junction-interferometers (dc SQUIDs). SQIFs are particularly very robust against parameter spreads and possess a large stability against structural deviations. This allows to use conventional technologies and also high-temperature superconducting materials for the fabrication of SQIFs. All of the above mentioned properties make SQIFs a novel class of superconducting devices which are very interesting for many applications.

The theoretical predictions have been verified in first experiments with SQIF circuits which were designed on the basis of the theoretical models developed here.