DE102014019354A1 - QUIDART: Quanten-Interferenz-Element bei Raumtemperatur - Google Patents

QUIDART: Quanten-Interferenz-Element bei Raumtemperatur Download PDF

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Abstract

Es ist ein Messgerät zum Nachweis von Magnetfeldern, das aus Kristallen in einer isolierenden Matrix auf einem Isolator hergestellt wird, das bei Raumtemperatur ein Bose-Einstein Kondensat aus Elektronen und Löchern besitzt. Bosonen, die aus aus einem Elektron und einem Loch mit parallelem Spin gebildet werden und so 2 Bohr'sche Magnetonen besitzen. Das Bauelement ist ein Ring mit Messanschlüssen (1) und (3) mit zwei schwachen Koppelübergängen (2), und ist ähnlich einem supraleitenden SQUID ausgeführt, und wirkt mit Hilfe der Stromversorgung (4, 5) als Detektor für ein den Ring durchsetzendes Magnetfeld (6), das gemessen werden soll, z. B. im NMR-Scanner in einem Krankenhaus, oder bei der Tiefenexploration von Ölvorkommen, und bei der Konstruktion von Q-Bit-Rechnern, die bei Raumtemperatur arbeiten.

Description

  • QUIDART ist ein Quanten-Interferenz-Bauelement, das wie ein Josephson Interferometer (SQUID – Supraleitendes Quanten-Interferenz-Bauelement) gebaut ist. Die Anwendung und Verwendungsmöglichkeiten der elektronischen Bauelemente mit zwei Supraleitern und das Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung als Verstärker, Magnetometer, Multiplikator und Q-Bit-Rechner sind in Patentschrift 1243292 des Deutschen Patentamtes vom 4.2.1965 durch Robert C. Jaklevic, John J. Lambe, James E. Mercereau und Arnold H. Silver, alle aus Michigan USA, mit der beanspruchten Priorität vom 17. Februar 1964 beschrieben und sind somit bekannt.
  • QUIDART wird unter Verwendung der fokussierten Elektronenstrahl-induzierten Abscheidung und organometallischen Präkursoren unter Anwendung sehr hoher Elektronen-Dosen als Koops-GranMat®, (Koops-GranMat® – EU Namensschutz durch HaWilKo GmbH Nr: 012719217 v. 16.04.2014 www.oami.europa.eu) gebaut, welches als nanogranulares Material eingebettet in eine isolierende Matrix (Pt/C, Au/C oder anderem nanogranularem Material mit Nanokristallen in einer isolierender Matrix) erzeugt wird. Bei Zimmertemperatur entstehen in den Materialien exzitonische elektronische Zustände der Oberflächenorbitale der Kristalle, die sich mit denen der Nachbarkristalle überlappen. Diese sich überlappenden Eigenzustände erstrecken sich durch das gesamte Material. Sie bilden nach Bose und Einstein die Voraussetzung, die Bildung eines Kondensats zu ermöglichen, in welchem Elektronen und Löcher Parallel-Spin tragen und Bosonen bilden können. Alle diese Bosonen, die ich Koops-Paare nenne, befinden sich in einem gemeinsamen Energieniveau. Dies fuhrt aufgrund des zu messenden Magnetfelds zu hohen induzierten Strömen, die in der Schleife über die zwei Schwachstellen laufen. Das so erhaltene Signal wird dann gemessen.
  • In Experimenten mit Feldemitter-Emissionen aus solchen Drähten wurden sehr hohe Stromdichten gemessen (> 50 MA/cm2 in Drähten, und > 1 GA/cm2 in der Spitze eines einzelnen Feldemitters), was dem anomal hohem Stromfluss von bis zu > 1 mA von einem angespitzten Draht von 50 nm Durchmesser entsprach!). H. W. P. Koops, et al. ME 23 (1994) 477–481, H. W. P. Koops et al. Microelectronic Engineering 57–58 (2001) 1009–1016, H. W. P. Koops, A. Kaya, M. Weber J. Vac. Sci. Technol. B 13(6) Nov/Dez (1995) 2400–2403.
  • Diese Materialien können alle Supraleiter ersetzen und übertreffen, die heute verwendet werden. Sie werden in elektrischen Anwendungen wie Drähten, Magneten, und Quanten-Interferenz-Bauelementen wie SQUIDS-Supraleitenden Quanten Interferenz Bauelementen-, und Quanten-BITs-Rechnern als auch in Photo-Detektoren, die eine Empfindlichkeit so niedrig wie 60 meV (Au/C) oder 125 meV (Pt/C) besitzen, verwendet. Im Vergleich dazu haben Silizium Sonnenzellen einen Bandabstand von 1,2 eV.
  • Die kleinen Durchmesser der Metallkristalle im Koops-GranMat® (Pt/C: 1,8 bis 2,1 nm, Au/C: 4 nm) erlauben nur Phononen mit sehr niedriger Energie in den Kristallen, die eine Energie von 1 meV besitzen, was 23 K entspricht. Vergleiche: Michael R. Geller, et. al. "Theory of electron-phonon dynamics in insulating nanoparticles" Physica B 316–317 (2002) 430–433. Diese geometrische Zusammensetzung des Materials aus Nanokristallen in einer Kohlenstoff-Matrix entbehrt der Bedingung, das Material zu kühlen, was bei Supraleitern zwingend erforderlich ist.
  • Das neuartige Material, das Koops-GranMat® verwendet, besitzt eine Leitfähigkeit durch Bosonen, die in einem Bose-Einstein Kondensat bei Raumtemperatur erzeugt werden. Dieses Kondensat wird ermöglicht durch langsame, fokussierte Elektronenstrahl-induzierte Prozessierung (FEBIP), die das Koops-GranMat® aus Pt-Cyclopentadienyl-Trimethyl oder aus Tri-Methyl-tri-Fluoro-Gold-Acetyl-Acetonat herstellt. Bei sehr hohen Dosen im Abscheidungsprozess wachsen kleine Metall-Kristalle mit 2 nm oder 4 nm Durchmesser auf, welche durch eine Kohlenstoff-haltige Fulleren-artige Matrix getrennt sind, und sich daher nicht direkt berühren. Aufgrund der Tatsache, dass das Platin eine größere Austrittsarbeit besitzt als Kohlenstoff, bilden die Platin-Phase und die Kohlenstoff-Phase ein gemeinsames Fermi-Niveau, welches die Platin-Phase negativ auflädt, während die Kohlenstoff-Phase positiv geladen bleibt. Aufgrund der kleinen Metall-Kristall-Durchmesser existieren angeregte Oberflächen Orbital-Zustände, die sich mit denen der benachbarten Kristalle überlappen. Diese überlappenden Elektronenzustände geben die von Bose und Einstein geforderte und hier existierende Voraussetzung für die Bildung eines Kondensats. Im Koops-GranMat® wird das Boson im Kondensat aus einem Elektron und einem Loch gebildet, aber mit der Nebenbedingung, dass sich die beiden Teilchen durch einen gleich gerichteten Spin abstoßen. Deshalb besitzt das Boson die Ladung 0 und den Spin 1. Da diese Bosonen im Vergleich zu denjenigen der Cooper-Paare nur entgegengesetzte Vorzeichen der Kräfte besitzen, besitzt das Koops-Paar auch ein Dipolfeld von 600 nm Durchmesser, aber mit 2 Bohr'schen Magnetonen als magnetischem Moment, die dann mit dem elektromagnetischen Feld wechselwirken.
  • Diese Bosonen können in und durch eine isolierenden Schicht tunneln, die als schwache Bindung (weak link), die sich zwischen den beiden Kondensat-Materialschichten bildet, angeordnet ist, und dieses Tunneln kann als Tunnelstrom durch die beiden Hälften nachgewiesen werden. Diese schwache Verbindung wird mit einem fokussiertem Elektronenstrahl in der FEBIP Lithographie hergestellt aus TEOS (Tetra Ethyl Ortho-Silazan) oder Aluminium-Präkursoren enthaltenden Verbindungen in der Gegenwart von zusätzlichem Wasser im FEBIP System. (Wasser-Schichten sind im Hochvakuum immer vorhanden).
  • QUIDART ist ein Detektor für Infrarot (IR) und elektromagnetische Strahlung und arbeitet bei Zimmertemperatur mit Koops-Paar BEC Bosonen. Da BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)Bosonen mit Supraleitfähigkeit bei tiefen Temperaturen und BEC(Bose-Einstein-Kondensat)-Bosonen bei Raumtemperatur dieselbe Größe besitzen, jedoch bei verschiedenen Temperaturen existieren, können die Strukturierungs-Geometrien kopiert und dann verwendet werden. (Hans W. P. Koops, H. Fukuda, J. Vac. Sci. Technol. B 33, 02B108 (2015) http://dx.doi.org/10.1116/1.4904732).
  • Eine 4-Punkt Verbindungs-Anordnung wird verwendet, um den Strom durch das QUIDART-Bauelement zu senden und um einen Wechselstrom zu detektieren, der aufgrund des magnetischen Feldes entsteht (20 bis 24). Der Durchmesser der Kreisstruktur kann < 1 Mikrometer oder bis zu 1 × 1 cm groß sein.
  • Das μSQUID Kraft Mikroskop ist ein einzigartiges Instrument, um lokale magnetische Flüsse mit einem Sensor von 1 μm Durchmesser mit sehr hoher Empfindlichkeit zu detektieren. Zu diesem Zweck muss es auf 70 K gekühlt werden (Empfindlichkeit 2 mG/Hz 1/2 in einer Fläche von 1 Mikrometer Durchmesser; CNRS: C. Veauvy et al., RSI 73, 3825(2002)).
  • Wird Koops-GranMat® für diesen Aufbau verwendet, so können die Messungen bei Zimmertemperatur und zu viel geringeren Kosten durchgeführt werden.
  • Weitere Anwendungen sind: Miniaturisierte Infrarot bis Röntgen-Strahlungs-Detektoren für medizinische, hochauflösende Bildgebung, und andere NMR(Kern-Magnetische Resonanz-)Anwendungen, sowie hochgradig empfindliche Magnetfeld-Sensoren für geologische Ölsuche und militärische Anwendungen, Quanten-Rechner, die bei Raumtemperatur arbeiten können. Die besonderen Eigenschaften von QBITS ermöglichen es, dass Quanten-Rechner Millionen von Rechenoperationen gleichzeitig einsetzen, Patent: GB 00 IBM0000 1505524A , wohingegen Desktop PC's typischerweise nur in geringem Umfang parallele Rechenoperationen ausführen können. Solche Arbeiten könnten bei Raumtemperatur durchgeführt werden, falls Koops-GranMat® verwendet wird, und deshalb kann das Testen und Herstellen von derart leistungsfähigen Quanten-Bit-Rechnern und Speichern bei Raumtemperatur und ohne zusätzliche Kühlung erfolgen.
  • Figuren und ihre Beschreibung:
  • 1: Schematische Darstellung eines SQUID, das im magnetischen Feld abgeordnet ist. Alle Materialien sind kälter als die kritische Temperatur der Sprung-auf-Null-Resistivität.
  • 2: Schematische Darstellung eines QUIDART in einem Magnetfeld. Alle Materialien haben Raumtemperatur.
  • 3: Kritischer Mess-Strom, ic, Φa als Funktion des angewandten magnetischen Feldes. (Nach J. Bland Thesis M. Phys (Hons), 'A Mössbauer spectroscopy and magnetometry study of magnetic multilayers and oxides.' Oliver Lodge Labs, Dept. Physics, University of Liverpool, 2002. http://hep.ph.liv.ac.uk/~jbland/JBland-Thesis-2002.pdf).
  • 4: RT Mess-Schaltkreis mit ”Weak-Link”-Schaltung, hergestellt aus Koops-GranMat®.
  • 5: Schematische Darstellung eines QUIDART aus Koops-GranMat® für die Messung eines Magnetfeldes hier, mit je einem Weak-Link in den Kreis-Hälften erzeugt durch den Herstellungsprozess. Nach dem Aufbau des linken Halbkreises wir eine dünne Isolator-schicht z. B. TEOS, auf die gerade Abschluss-Kante der linken Halbkreis-Struktur abgeschieden. Überlappend zu der Isolator-Struktur wird dann die ergänzende Halbkreisstruktur unter Verwendung des Koops-GranMat® bis zu den Messanschlüssen 46 und 48 aufgebracht. Die beiden isolierten Spalte werden mit den Koops-GranMat®-Strukturen definiert, siehe auch die Seitenansicht unter der Aufsicht unten. 42 und 48 dienen dem Stromfluss, 40 und 46 ermöglichen es, das Wechselstromsignal zu messen, das von dem Magnetfeld 50 erzeugt wird, das im zentralen Bereich 50 zu messen ist. Alle Materialien sind bei diesem Experiment auf Zimmertemperatur.
  • 6: Supraleitender Quanten Interferenz Schaltkreis (SQUID), ein einfaches Magnetometer, hier mit je einem Weak-Link in den Kreis-Hälften erzeugt durch eine starke Geometrie-Änderung durch Verringerung des Ring-Material-Querschnittes. (Entnommen aus: J. Bland Thesis M. Phys (Hons). 'A. Mössbauer spectroscopy and magnetometry study of magnetic multilayers and oxides.' Oliver Lodge Labs, Dept. Physics, University of Liverpool 2002. http://hep.ph.liv.ac.uk/~jbland/JBland-Thesis-2002.pdf.
    On-line: http://hep.ph.liv.ac.uk/~jbland/JBland-Thesis-2002).
  • Detaillierte Beschreibung:
  • Das Bohr Magneton ist definiert in SI-Einheiten durch μB = (eh/2π)/(2me), wobei e die Elementarladung ist, h die reduzierte Planck'sche Konstante ist, me die Elektronen Ruhe-Masse ist.
  • SQUID: wurde entwickelt von Samuel Maguire-Boyle, Andrew R. Barron, nachdem Josephson den Josephson-Effekt beschrieb. Josephson sagte voraus, dass ein supraleitender Strom in dem kreisförmigen Bereich aufrecht erhalten werden kann, selbst wenn er durch eine isolierende Barriere oder gar ein normales Metall unterbrochen ist. Das SQUID hat 2 derartige Barrieren, genannt ”Josephson junctions”. Beide Schwachstellen führen dieselbe Phasendifferenz ein, wenn der magnetische Fluss im Kreisleiter 0, Φ0, 2Φ0, oder Vielfache davon beträgt. Das erzeugt eine konstruktive Interferenz. Die Schwachstellen fügen entgegengesetzte Phasendifferenzen ein, wenn der Fluss Φ0/2, 3Φ0/2, und so weiter ist, was zu destruktiver Interferenz führt. Diese Interferenz veranlasst den kritischen Strom dazu, sich zu verändern. Der kritische Strom ist der maximale Strom, den der Messaufbau ohne Verlust tragen kann. Typischerweise können Hoch-TC Supraleiter weniger als 1 MA/cm2 tragen. Der kritische Strom ist empfindlich auf den magnetischen Fluss durch die supraleitende Schleife, so dass selbst kleinste magnetische Momente gemessen werden können. Der kritische Strom wird üblicherweise erhalten, indem der Spannungsabfall über die Josephson-Verbindung als Funktion des Gesamtstroms durch den Schaltkreis gemessen wird. Kommerzielle SQUIDS wandeln die Modulation des kritischen Stromes in eine Spannungsvariation um, die einfacher zu messen ist.
  • Bei der Verwendung von Koops-GranMat® können viel höhere Signale erwartet werden, da das Material in der Lage ist, viel höhere Ströme einer Stromdichte bis zu 50 MA/cm2 zu tragen, wenn nicht gar bis zu > GA/cm2, wie es bei einem Strom gemessen wurde, der von einer Feldemitter-Spitzenkathode mit einer Emissionsfläche < 10 nm im Durchmesser emittiert wurde. Diese Werte sind viel höher als 1 MA/cm2, was die kritische Stromdichte der Hoch-TC-Supraleiter ist, die bei höheren Dichten durch das innere Magnetfeld zerstört werden. Deshalb wird von QUIDART Bauelementen ein viel größerer Anwendungsbereich erwartet, als dieser für Hoch-TC supraleitende SQUIDS besteht.
  • Ein angewandtes magnetisches Feld erzeugt eine Phasenschiebung um einen Ring herum, der in diesem Fall gleich ΔΦ(B) = 2π(Φa/Φ0) ist. Der kritische Mess-Strom ist Ic = 2iccosπ(Φa/Φ0).
  • Im Fall der BEC, bei der das Boson im Kondensat von einem Elektron und einem Loch gebildet wird, die beide die gleiche Spin-Richtung tragen, fließt kein Strom, denn die Summe der Ladungen ist 0, bewirkt jedoch ein starkes Dipol-Moment, das durch einen Feldgradienten bewegt wird. Das Boson trägt jedoch 2 Magnetonen, das heißt ein starker magnetischer Fluss liegt vor.
  • 3 zeigt den kritischen Mess-Strom als Funktion des angewandten magnetischen Feldes.
  • Die hohe Empfindlichkeit erlaubt den Nachweis der lokalen Magnetisierung in künstlichen Nanostrukturen, in Supraleitern, Ferromagneten, und elektronischen Schaltkreisen. Mit den gewonnenen Bildern kann man den Mechanismus der Bildung erklären, die aus magnetischen Mustern gewonnen werden. Dies wird mitunter zu Supraleitern mit höheren kritischen Strömen, weniger Vortex-Bewegungen mit gut kontrollierten Domänenstrukturen, und optimierten Detektoren führen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mess-Signal ein, supraleitend
    2
    Josephson-Verbindung (weak link), Isolator
    3
    Mess-Signal aus, supraleitend
    4
    Versorgungs-Strom – ein
    5
    Versorgungs-Strom aus
    6
    Magnetisches Feld, das gemessen werden soll
    7
    Mess-Signal ein, aus KoopsGranMat® @RT
    8
    Koops-Paar Junction-(weak link)Oxid oder anderer Isolator
    9
    Mess-Signal aus, aus Koops-GranMat® @RT
    10
    Versorgungsstrom ein
    11
    Versorgungsstrom aus
    12
    Zu messendes magnetisches Feld
    20
    Mess-Signal a, Versorgungs-Strom ein
    22
    Koops-Paar-Verbindung, als Luftspalt oder aus festem Isolator hergestellt
    24
    Mess-Signal, Koops-GranMat®, Versorgungstrom aus
    30
    Ein magnetisches Feld, das gemessen werden soll
    40
    Mess-Signal ein, KoopsGranMat®
    42
    Versorgungsstrom ein
    44
    Abscheidung der Isolator-Schicht (TEOS-TetraethylOrthoSiloxan) auf dem BEC Material 40, 42 und dem linken Halbkreis. Anschließend Abscheidung des rechten Musters 46 und 48
    46
    Mess-Signal aus, Koops-GranMat®
    48
    Versorgungsstrom- aus
    50
    Zu messendes Magnetfeld
    61
    Stromzufuhr und Anschluss (Strom-Messgerät)
    62
    Spannungsversorgung
    63
    Zu messendes Magnetfeld
    64
    je ½ des eingespeisten Mess-Stromes
    65
    Vom Magnetfeldsignal induzierter Strom
    66
    „Weak Link”-Schwachstelle
    67
    „Weak Link”-Schwachstelle
    68
    Spannungsmesspunkt
    69
    Spannungsmesspunkt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 1243292 [0001]
    • GB 1505524 A [0012]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • H. W. P. Koops, et al. ME 23 (1994) 477–481 [0003]
    • H. W. P. Koops et al. Microelectronic Engineering 57–58 (2001) 1009–1016 [0003]
    • H. W. P. Koops, A. Kaya, M. Weber J. Vac. Sci. Technol. B 13(6) Nov/Dez (1995) 2400–2403 [0003]
    • Michael R. Geller, et. al. ”Theory of electron-phonon dynamics in insulating nanoparticles” Physica B 316–317 (2002) 430–433 [0005]
    • Hans W. P. Koops, H. Fukuda, J. Vac. Sci. Technol. B 33, 02B108 (2015) http://dx.doi.org/10.1116/1.4904732 [0008]
    • CNRS: C. Veauvy et al., RSI 73, 3825(2002) [0010]
    • J. Bland Thesis M. Phys (Hons), 'A Mössbauer spectroscopy and magnetometry study of magnetic multilayers and oxides.' Oliver Lodge Labs, Dept. Physics, University of Liverpool, 2002. http://hep.ph.liv.ac.uk/~jbland/JBland-Thesis-2002.pdf) [0015]
    • J. Bland Thesis M. Phys (Hons). 'A. Mössbauer spectroscopy and magnetometry study of magnetic multilayers and oxides.' Oliver Lodge Labs, Dept. Physics, University of Liverpool 2002. http://hep.ph.liv.ac.uk/~jbland/JBland-Thesis-2002.pdf [0018]
    • http://hep.ph.liv.ac.uk/~jbland/JBland-Thesis-2002 [0018]

Claims (8)

  1. Quanten-Interferenz-Element (2), bei dem ein Leiter aufgeteilt wird, um eine Öffnung für eine zu messende Strahlung zu bilden, die in zwei Zweige (7, 9) aufgeteilt ist und jeder Zweig eine Phasendifferenz-einführende Schwachstelle (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter aus nanogranularem Material besteht, wobei metallhaltigen Kristalle einer Größe von weniger als 6 nm Durchmesser in eine isolierende Matrix eingebettet sind, und so ein Bose-Einstein-Kondensat bei Raumtemperatur bilden.
  2. Quanten-Interferenz-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasendifferenz-einführende Schwachstelle von einem Isolator gebildet ist (5, 44).
  3. Quanten-Interferenz-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasendifferenz-Einführungs-Schwachstelle von einem Metall gebildet ist (4, 22).
  4. Quanten-Interferenz-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasendifferenz-Einführungs-Schwachstelle durch eine Verringerung des Querschnitts des Leiters gebildet ist (6, 66, 67).
  5. Quanten-Interferenz-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltigen Kristalle aus Platin gebildet sind.
  6. Quanten-Interferenz-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltigen Kristalle aus Gold gebildet sind.
  7. Quanten-Interferenz-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltigen Kristalle aus Aluminium-Titan-Nitrid gebildet sind.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Quanten-Interferenz-Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines rechnergesteuerten Elektronenstrahl-Abscheidungsverfahrens auf ein Substrat folgende Schichten aufgebracht werden, zunächst die auf der einen Seite der Schwachstelle vorgesehenen Teile des Leiters, dann im Bereich der Schwachstelle das die Schwachstelle bildende Material, und danach die anderen Teile des Leiters, wobei sich die nacheinander aufgebrachten Schichten überlappen.
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