Winzige supraleitende Strukturen mit Dünnschicht-Technologie erzeugt

Die Gigantonomie in der Kryoelektronik ist unendlich klein

Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt zwei 3x3 mikrometer und ein 7x7 mikrometer Mesas auf der Oberfläche der verbleibenden Schicht des Thallium-Hochtemperatursupraleiters sowie die Zuleitungen für die späteren Elektroden.

Foto: Scheere

Noch schnellere Rechner, noch kleinere Schaltkreise, noch sensiblere Messsensoren? – Warum nicht! Für Prof. Dr. Paul Seidel ist das Tor zu einer neuen Dimension in der modernen Elektronik gerade erst einmal aufgestoßen. Die Supraleitertechnologie mit Bauelementen aus dünnen Schichten eröffnet bislang ungeahnte Perspektiven. Mit Petaflop-Computern, millionenmal schneller als gewöhnliche PCs, rechnet der Physiker schon in den nächsten 30 Jahren.

Die würden allerdings die bekannten Josephsonkontakte nur auf der Basis herkömmlicher Supraleitermaterialien nutzen, meint Seidel. Er selbst spürt inzwischen dem intrinsischen Josephsoneffekt nach, der sich in Hochtemperatursupraleiter-Material auf atomarer Ebene einstellt, und baute bereits erste 3x3 Mikrometer winzige Kontaktstapel (Mesa), die mühelos mit sehr hohen Frequenzen über einer Billion Hertz arbeiten.

Was hat es nun mit diesem ominösen Josephson-Effekt auf sich? – 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. Interessant ist, dass sich alle diese Cooper-Paare in demselben Quantenzustand befinden – ein Phänomen, das man sonst nur von einzelnen Teilchen (Quanten) kennt.

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 eine 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.

Was kann man nun in der Praxis mit Josephsons – 1973 per Physik-Nobelpreis honorierten – Entdeckung anfangen? Spannungsnormale zur Kalibrierung von Messgeräten mit Hilfe von Josephson-Kontakten sind weltweit inzwischen Standard. In der Nachrichtentechnik baut man hochpräzise Mikrowellengeber, und in der chemischen Analytik werden bereits Spektrometer eingesetzt, die die Wechselwirkungen mit leistungsschwachen externen Strahlungsquellen, also z. B. Molekülschwingungen chemischer Substanzen, ausnutzen. Mit Hilfe hochempfindlicher Magnetfeldsensoren, so genannter SQUIDs werden somit zerstörungsfreie Materialprüfungen und biomagnetische Messungen möglich.

Das alles spielt sich zunehmend im Hochtemperatur-Supraleitbereich ab, das heißt bei ca. minus 150 °Celsius, die sich mittels Flüssigstickstoffkühlung relativ komfortabel erreichen lassen. Der einzige Nachteil dieser neuen Technologie gegenüber den weitaus teureren Tieftemperatursupraleitern (bei ca. minus 270 °C): Die eingesetzten Materialien wie z. B. Yttriumbariumkupferoxid sind technisch noch recht schwer zu beherrschen, weil kleinste Baufehler im Kristall und Unreinheiten bereits den Effekt verderben.

Auch aus diesem Grund kümmern sich Paul Seidel und seine Gruppe am Uni-Institut für Festkörperphysik um den intrinsischen Josephson-Effekt auf atomarer Ebene. Sie konstruierten nun Stapel von schwach gekoppelten Josephson-Systemen in 3 mikrometer² großen "Türmchen", die am Jenaer Institut für Angewandte Physik mit Photo- und Elektronenstrahllithographie aus einer dünnschichtigen Grundplatte herausmodelliert wurden.

Die Spitzen dieser "Türmchen" erhielten eine nanometerbreite Kerbe, so dass zwei Elektroden entstanden, folglich Strom und Spannung sauber getrennt zu messen sind. 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 5x10 mm großen Chip, arbeitet mit minimalem Kühlaufwand und generiert Frequenzen sogar im Terahertz-Bereich. "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: "Wir haben sehr lange gebraucht, bis wir unsere Mesa-Prototypen hinreichend exakt und mit scharfen Kantenstrukturen fehlerfrei aus der Grundplatte herausgeätzt hatten", gesteht er, "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..." wh

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Paul Seidel
Tel.: 03641/947410, Fax: 947412

E-Mail: seidel@ifk.uni-jena.de