DE19710039A1 - Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen mit einem Netzwerk aus Josephsonkontakten (Selektor-Josephson-Netzwerk) - Google Patents

Description

I. Einführung und allgemeine Beschreibung der Erfindung

Josephson-Kontakte bestehen aus sog. weak-links zwischen zwei supraleitenden Elek­ troden (z. B. SIS, SNS) [1, 2]. Wird an einen Josephson-Kontakt eine Spannung ange­ legt, oder überschreitet der treibende Strom einen bestimmten kritischen Wert, dann oszilliert die Phasendifferenz der makroskopischen quantenmechanischen Ordnungs­ parameterphase zwischen den Elektroden mit einer zur angelegten Spannung bzw. zum Wert des treibenden Stroms direkt proportionalen Frequenz [3]. Ist die Kon­ taktfläche klein (Punktkontakte), dann kann die räumliche Variation der makroskopi­ schen Phasen vernachlässigt werden und die Proportionalität zwischen Frequenz und am Kontakt abfallender Spannung ist durch ν = 485 GHz/mV gegeben. Am Kontakt wird nach der zweiten Josephsonrelation eine Mikrowelle erzeugt, deren Amplitude in guter Näherung proportional zum kritischen Strom des Kontakts und abhängig von der Größe des Quasipartikelstroms und des Verschiebungsstroms ist [6, 7, 8]. Die Mikrowellenleistung ist proportional zum Quadrat der Amplitude der Oszillation der am Kontakt abfallenden Spannung.

Die Mikrowellenleistung eines einzelnen Kontakts ist zu klein um technisch nutzbar zu sein [6, 2]. Werden jedoch viele identische Kontakte in einem Netzwerk miteinander verschaltet, dann kann die Leistung in technisch nutzbare Größenordnungen von eini­ gen µW bis mW kommen [6]. Voraussetzung dafür ist allerdings, daß die Kontakte des Netzwerks phasenkohärent oszillieren, da ansonsten die von den Einzelkontakten er­ zeugten Mikrowellen destruktiv interferieren und die Amplitude der Oszillation der am Netzwerk abfallenden Gesamtspannung wieder in die Größenordnung eines Einzelkon­ takts kommt [6, 7, 8]. Gelingt es, die Kontakte eines Netzwerks phasenkohärent zum schwingen zu bringen, dann stellen die Netzwerke leistungsfähige, durchstimmbare Mikrowellenquellen dar, die wegen ihrer geringen räumlichen Abmessung (im Bereich von µm² [11, 12]) auf einem Chip integriert werden könnten (monolithic microwave integration). Dies würde eine erhebliche Verbesserung und Verfeinerung gegenüber herkömmlichen Lösungen mit externen Oszillatoren, die einen sehr hohen Energie­ verbrauch und einen sehr geringen Wirkungsgrad haben, darstellen. Schwingen alle Kontakte in einem zweidimensionalen Netzwerk in Phase, dann steigt die Leistung mit dem Quadrat der Zahl der Netzwerkkontakte.

Bislang wurden eindimensionale und normalperiodische zweidimensionale Netzwerke zur experimentellen Untersuchung hergestellt [4, 19, 6]. Bei eindimensionalen Netz­ werken konnte bisher jedoch nur dann, wenn die Kontakte eine bestimmte geome­ trische Anordnung haben, die zu Resonanzeffekten führt, eine nennenswerte Lei­ stungsabgabe erzielt werden. Diese Anordnungen sind damit nicht durchstimmbar (frequency-tunable) und zudem ist ihre Impedanz nicht an die Impedanz einer exter­ nen Last anpaßbar [6]. Auch bei normalperiodischen zweidimensionalen Netzwerken wurde nur dann nennenswerte Leistungsabgabe gemessen, wenn innerhalb der Schal­ tung geometrische Resonanzen auftreten [12, 9, 10]. Diese Anordnungen sind damit ebenfalls nicht durchstimmbar, jedoch theoretisch in ihrer Impedanz einer externen Last anpaßbar [6].

Bei allen bislang hergestellten und untersuchten Netzwerken von Josephson-Kontakten (Josephson-Oszillatoren) liegt die sehr mangelhafte Leistungserzeugung daran, daß in den dynamisch hochdimensionalen Systemen eine Vielzahl nichtlinearer Schwingun­ gen wechselwirken. Dies führt dazu, daß die Netzwerke eine sehr große Zahl stabiler Oszillationsmuster bilden können [7, 8], zu denen die phasenkohärente Schwingung aller Kontakte im allgemeinen nicht gehört. In der Arbeit [8] wird zudem gezeigt, daß die phasenkohärente Schwingung keine typische Eigenschwingung von herkömmlichen zweidimensionalen Netzwerken von Josephson-Kontakten ist. Die Netzwerke verfügen über keinen intrinsischen Synchronisationsmechanismus, der die Phasen der Kontakte synchronisieren würde. Der Einbau von Netzwerken in Resonatoren, oder der Versuch einer Synchronisation durch eine äußere periodische Kraft scheitert, da die Dynamik der Kontakte dann in der Regel chaotisch wird [13, 8]. Ist die Dynamik der Phasen chaotisch, dann wird keine nutzbare Mikrowellenleistung erzeugt.

Der bislang einzige Weg zur Erzielung von wenigstens teilweiser Synchronisation in herkömmlichen Netzwerken ist die Reinjektion der vom Netz erzeugten Mikrowelle durch eine äußere (passive) Last [14, 15]. Diese Synchronisation ist jedoch sehr anfällig gegen Parameterimperfektionen bei den Parametern der Einzelkontakte und nur in einem sehr kleinen Bereich des Parameterraums tatsächlich wirksam [14, 7]. Sie hängt zudem vom Aufbau der externen Last (des Verbrauchers) ab und bricht beim Auftreten von Josephson-Vortices in zweidimensionalen Netzwerken zusammen [12, 16, 8]. Trotz der theoretisch sehr hohen Imperfektionstoleranz von zweidimen­ sionalen Netzwerken wird daher nur für ganz bestimmte wenige Frequenzen und bei Parameterstreuungen, die unter 5% liegen (1-σ Streuung bei den kritischen Strömen der Einzelkontakte) eine nennenswerte Mikrowellenleistung gemessen. Für die Im­ plementierung von Josephson-Kontakten aus Hochtemperatursupraleitern sind wegen deren sehr inhomogenen Parametereigenschaften daher herkömmliche zweidimensio­ nale Netzwerke völlig ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Netzwerkarchitektur zur Verfügung zu stellen, die in den Netzwerken selbst einen intrinsischen Synchronisationsmechanismus erzeugt. Dieser Mechanismus sorgt dafür, daß nur solche Oszillationsmuster in den Netzwer­ ken auftreten, die einen hohen bis maximalen Phasenkohärenzgrad besitzen. Die von den Netzwerken erzeugte Mikrowellenleistung wird im gesamten Parameterraum prak­ tisch optimal und zudem außerordentlich robust gegen Parameterimperfektionen und Störungen. Die neuartige Netzwerkarchitektur besitzt eine so hohe Imperfektionsto­ leranz, daß sie für eine Implementierung von Josephson-Kontakten aus Hochtempe­ ratursupraleitern geeignet ist. Durch den intrinsischen Synchronisationsmechanismus wird die nutzbare Mikrowellenleistung der neuartigen Netzwerke nicht von der Art des Verbrauchers beeinflußt und ist beliebig an dessen Impedanz anpaßbar, sowie in einem nur von der Bauart der verwendeten Einzelkontakte abhängigen Frequenzbe­ reich (typischerweise z.Z. GHz bis THz, mit neuartigen Kontakten jedoch bis in den optischen Bereich) kontinuierlich durchstimmbar. Da in den neuartigen Netzwerken praktisch alle Kontakte phasenkohärent schwingen, steigt die Leistung mit dem Qua­ drat der Zahl der aktiven Netzwerkkontakte und die Linienbreite nimmt reziprok dazu ab [6]. Damit erzeugen diese Netzwerke bei genügend großer Zahl aktiver Kontakte in­ nerhalb des Frequenzbereichs der Einzelkontakte eine kontinuierlich durchstimmbare Mikrowelle mit einer bis heute technisch kaum erreichbaren Linienbreite.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Josephson-Kontakte so miteinander ver­ schaltet werden, daß die Symmetrieentartung herkömmlicher periodischer zweidimen­ sionaler Netzwerke gebrochen wird und durch die anisotropen, nichtlinearen Wechsel­ wirkungen der Einzelkontakte nur wenige, bestimmte Attraktoren der Netzwerkdyna­ mik existieren. Durch Anordnung der Kontakte entsprechend Abb. 1 entsteht eine solche Dynamik [7]. Die einzelnen Kontakte sind durch Kreuze dargestellt, die durch supraleitende Verbindungen (Linien) miteinander verschaltet sind. Der trei­ bende Netzwerkstrom (Gleichstrom) I_A fließt von oben nach unten (in einer Richtung) durch das Netzwerk. Der Effekt bildet sich im Netzwerk dadurch, daß ein Teil des treibenden Stroms I_A durch eine isoliert im Netzwerk liegende Kette, der Selektorkette fließt. Links und rechts der Selektorkette befinden sich normalperiodische Netzwerk­ teile. Die Selektorkette ist durch die Flußquantisierung, die im supraleitenden Netz gilt [17, 8, 18], an das restliche normalperiodische Teilnetz gekoppelt. Die Quante­ lung des Flusses in supraleitenden Anordnungen von Josephson-Kontakten dieser Art (der Fluß durch jede geschlossene Schlaufe im Netz muß wegen der Eindeutigkeit der makroskopischen quantenmechanischen Phasen ein Vielfaches von 2π betragen) und die nichtlinearen Kopplungen durch die selbsterzeugten Mikrowellen an den Einzel­ kontakten, bewirken aufgrund des Vorhandenseins der Selektorkette eine Selektion der Attraktoren der Netzwerkdynamik [7]. Durch theoretische Analyse der Netzwerk­ gleichungen kann dies bewiesen werden. Es treten im Gegensatz zu herkömmlichen, normalperiodischen Netzwerken dadurch nur solche Oszillationsmuster auf, die eine praktisch optimale Mikrowelle erzeugen [7]. Dieser, der unmittelbaren Intuition nicht zugängliche Effekt, der durch eine einfache und technologisch ohne weiteres darstell­ bare Modifikation herkömmlicher normalperiodischer zweidimensionaler Netzwerke entsteht, ist auf das Auftreten unspezifischer Kopplungen zwischen den Netzwerk­ kontakten zurückzuführen, die die Ballance in der Kopplungsstruktur verändern [7].

Die Selektorkette kann in diesen Selektor-Netzwerken in einer beliebigen Netzwerk­ spalte (auch am Rand) liegen um den Effekt zu erzielen. Durch die Selektor-Kette entsteht für die Leistungsabgabe der Netzwerke ein quantenmechanisch verbotener Be­ reich, der zwischen Null und einer minimalen Leistung liegt. D.h. Selektor-Netzwerke erzeugen immer eine bestimmte Leistung, sie können keine geringere Leistung erzeu­ gen. Insbesondere ist es physikalisch nicht möglich, daß die Mikrowellenleistung von Selektor-Netzwerken unter einen bestimmbaren Wert sinkt.

In der Arbeit [7] wird zudem gezeigt, daß in Selektor-Netzwerken keine persistierende Dynamik von Josephson-Vortices auftreten kann und diese den Synchronisationsme­ chanismus daher nur sehr schwach stören können. Zwischen den in Stromrichtung liegenden aktiven vertikalen Kontakten, durch die der Netzwerkstrom in der Regel fließt, liegen horizontale Kontakte, die in der Regel keine persistierende Dynamik ihrer Phasendifferenzen zeigen. Diese bilden ein passives Reservoir, das auch große Parameterimperfektionen ausgleicht [7]. Ohne die im normalperiodischen Netzwerk liegenden horizontalen Kontakte erzeugen die Netzwerke zudem keine nutzbare Mi­ krowelle [8], da sich bei ihrem Fehlen periodische Kreisströme bilden.

Selektor-Netzwerke sind praktisch zur Implementierung jeder Art von Josephsonkon­ takten geeignet. Unter einem Josephson-Kontakt wird dabei jede Anordnung ver­ standen, die für sich genommen den ac- und den dc-Josephson-Effekt zeigt. So z. B. auch Kontakte, denen zur Erhöhung des Ohmschen Widerstandes Shunt-Widerstände parallelgeschaltet sind. Zumindest für SNS-Kontakte auf Aluminiumbasis mit Shunt- Widerständen steht eine voll ausgereifte Technologie zur Herstellung von Netzwerken bereits zur Verfügung [6].

Durch eine modulare Verschaltung von Selektor-Netzwerken wie sie beispielsweise in Abb. 2 und 3 dargestellt ist, läßt sich die Mikrowellenleistung weiter erhöhen und an die Parameterverhältnisse anpassen. Die Größe der einzelnen Module kann dabei je nach den Parameterimperfektionen bei den Einzelkontakten optimal gewählt wer­ den. Durch die Hinzufügung einer weiteren Selektorkette (Abb. 3) läßt sich das Synchronisationsverhalten und die Robustheit gegen Störungen des Gesamtnetzwerks zudem weiter verbessern. Bei einem modularen Aufbau auf mehreren Ebenen können zusätzlich entsprechend Selektorketten angebracht werden. Da Selektor-Netzwerke über einen intrinsischen Synchronisationsmechanismus verfügen, lassen sich die Mo­ dule raumsparend auch neben- und übereinander bzw. beliebig (auch was den Abstand dazwischen anbelangt) anordnen. Für sehr hohe Leistungen im mW Bereich können die Makro-Module von Abb. 2 bzw. 3 wiederum modular verschaltet werden usw.

Die Auskopplung der Mikrowelle erfolgt durch Parallelschaltung eines Verbrauchers (Last) wie dies beispielhaft in Abb. 4 dargestellt ist. Der Verbraucher kann dabei auch aus einer Antenne bestehen, mit deren Hilfe die Mikrowelle in den freien Raum ausgekoppelt wird.

Zur Erläuterung der Leistungsfähigkeit von Selektor-Netzwerken ist in Abb. 5 die an eine impedanzangepaßte rein resitive Last auskoppelbare Leistung eines 10 × 10 Selektor-Netzwerks nach der theoretischen Untersuchung in [7] dargestellt. Die Lei­ stung ist in Einheiten von i_c ²r angegeben und die Frequenz in Einheiten von i_cr. Dabei bezeichnet i_c den kritischen Strom eines Einzelkontakts und r den näherungs­ weise konstanten Ohmschen Widerstand der Einzelkontakte nach dem RCSJ-Modell [2, 1]. Der Mc Cumber Parameter beträgt β = 0.5, ein für Aluminiumkontakte mit Shunt-Widerständen typischer Wert [11, 12]. Diese Kontakte besitzen einen kriti­ schen Strom im Bereich von einigen hundert µA und einen ohmschen Widerstand im Bereich von 1Ω. Die Mikrowellenleistung liegt damit für Selektor-Netzwerke aus sol­ chen Kontakten im gesamten Frequenzbereich von einigen hundert GHz bis einigen THz im Bereich von µW. Die Netzwerkdynamik bildet lediglich sechs stabile Muster, die eine unterschiedliche Mikrowellenleistung erzeugen. Nach [7] tritt die vollständig kohärente Schwingung (obere Kurve) bei Parallelschaltung einer Last allerdings be­ vorzugt auf. Weniger Leistung als für die untere Kurve kann ein Selektor-Netzwerk nicht abgeben, da dies quantenmechanisch verboten ist. Für herkömmliche periodi­ sche zweidimensionale Netzwerke existiert kein solcher verbotener Bereich, weshalb ihre Leistung bis auf Null absinkt.

Für Selektor-Netzwerke praktischer Größe im Bereich von einigen hundert Zeilen spielt die verschiedene Leistungserzeugung für die verschiedenen Attraktoren keine Rolle. Dies zeigt Abb. 6. Hier ist die minimale und die maximale Leistung in Abhängigkeit von der Zahl der Zeilen N aktiver vertikaler Kontakte abgebildet. Die absolute Differenz zwischen maximaler und minimaler Leistungsabgabe ist für prak­ tische technische Anwendungen unerheblich. Bei modular aufgebauten Netzwerken zählen dabei alle Zeilen in Stromrichtung, die auf einem Weg durch das Netzwerk liegen.

Eine weitere Aufgabe, die Selektor-Netzwerke durch ihre Fähigkeit zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen lösen können, ist die Bestimmung von Magnetfeldstärken mit hoher Genauigkeit. Bei herkömmlichen Verfahren die auf dem dc-Josephson-Effekt be­ ruhen (SQUIDs), besteht bei der Implementierung mit Hochtemperatursupraleitern das Problem, das in den Schaltungen aufgrund von Inhomogenitäten und Imperfek­ tionen Flußwirbel (Vortices) entstehen, die die Messungen stark stören können. Es sind aufwendige Verfahren notwendig um diese Einflüsse zu minimieren.

In Selektor-Netzwerken aus Hochtemperatursupraleitern sind solche Störungen durch Vortices wegen des intrinsischen Synchronisationsmechanismus bereits minimal, da spontan entstehende Flußwirbel aus den Netzwerken von der Netzwerkdynamik selbst verdrängt werden [7]. Wird ein oszillierendes Selektor-Netzwerk von einem magne­ tischen Fluß durchsetzt, dann bilden sich regelmäßige Wellenfronten von Phasenver­ schiebungen, die periodisch durch das Netzwerk laufen. Vortices stören diese Dynamik nicht [7]. Die laufenden Wellenfronten erzeugen eine direkt zur Stärke des Magnet­ feldes proportionale Änderung der am Gesamtnetzwerk abfallenden Gesamtspannung [7]. Durch Messung dieser Spannungsänderung kann die Stärke des Magnetfeldes we­ gen der Quantelung des Flusses beliebig genau gemessen werden und zwar unabhängig von etwaigen Interferenzerscheinungen wie bei SQUIDs. Da eine solche Messung den ac-Josephson-Effekt ausnutzt und nicht den dc-Josephson-Effekt, ist sie aus quan­ tenmechanischen Gründen prinzipiell genauer als eine SQUID-Messung. Wird die Messung nicht durch die Messung der absoluten Größe der Spannungsänderung vor­ genommen, sondern durch eine Interferenzmessung mit einem identischen Selektor- Netzwerk, das außerhalb des Magnetfelds liegt und von derselben Stromquelle ver­ sorgt wird (vgl. Abb. 3), dann läßt sich die Meßgenauigkeit theoretisch beliebig steigern. Bei einer solchen Meßmethode kann durch Überlagerung der Mikrowelle des Meß-Selektor-Netzwerks und des Referenz-Selektor-Netzwerks die Stärke des Magnet­ feldes auch weit unterhalb des Betrags eines Flußquants gemessen werden, wobei die Auflösung allein schon wegen der großen Zahl der Netzwerkeinheitszellen besser ist als bei herkömmlichen SQUIDs.

Ein solches Verfahren, beruhend auf dem ac-Josephson-Effekt und der kollektiven nichtlinearen Dynamik in einem Josephson-Netzwerk, ist absolut neuartig und wurde in der Literatur bislang noch nirgends diskutiert, da sich herkömmliche Netzwerke dazu nicht eignen. Selektor-Netzwerke sind jedoch aufgrund ihrer spezifischen Eigen­ schaften auch für die Messung von Magnetfeldern besonders geeignet.

Wegen ihrer intrinsischen Synchronisationseigenschaften sind Selektor-Josephson-Netz­ werke auch zu hochgenauen Spannungsmessungen, wie etwa für das Josephson-Normal geeignet, da im Spannungszustand im Gegensatz zu herkömmlichen zweidimensio­ nalen Netzwerken immer eine genau definierte Spannung abfällt und das Selektor- Netzwerk damit eine genau definierte, eineindeutige Frequenz erzeugt. Beim Anlegen einer Spannung an das Selektor-Netzwerk tritt daher auch bei Parameterimperfek­ tionen eine eineindeutige Netzwerkfrequenz mit je nach Größe des Netzwerks sehr kleiner Linienbreite auf.

II. Ausführungsbeispiele der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel für ein Selektor-Netzwerk aus Josephsonkontakten ist in Abb. 1 dargestellt. Das Selektor-Netzwerk befindet sich zwischen dem Strom­ zuführungsknoten (k₁) und dem Stromabflußknoten (k₂). Durch den Knoten k₁ wird ein Gleichstrom, der Netzwerkstrom I_A, zugeführt und durch den Knoten k₂ wird der Netzwerkstrom wieder abgeführt. Das Selektor-Netzwerk selbst befindet sich auf einer Temperatur, die gewährleistet, daß sowohl die identischen Josephsonkontakte des Netzwerks (Kreuze), als auch die stromleitenden Verbindungen (Linien) supra­ leitende Eigenschaften haben. Dabei können alle Arten supraleitender Materialien verwendet werden. Auch die Josephsonkontakte können beliebiger Bauart sein. Die einzige an sie gestellte Bedingung ist, daß sie den dc-Josephson-Effekt zeigen. Die Art des Stromflusses durch die Zuführungsleitungen ist beliebig.

Das Selektor-Netzwerk besteht aus zwei Teilen:

• (1) Einem periodischen Netzwerkteil, das aus regelmäßigen Einheitszellen besteht, die - außer am oberen und unteren Netzwerkrand - jeweils vier Josephsonkontakte enthalten. Von diesen vier Kontakten liegen zwei in Richtung des Netzwerkstroms. Diese sind die vertikalen Kontakte, durch die der Netzwerkstrom bevorzugt fließt. Sie werden daher als aktive Kontakte bezeichnet. Die zwei Josephsonkontakte einer Einheitszelle, die sich auf den horizontalen Verbindungen befinden, werden als passive Kontakte bezeichnet. Am oberen und unteren Rand des Selektor-Netzwerks liegen in einer Einheitszelle nur drei Kontakte, von denen zwei aktive Kontakte sind.
• (2) Innerhalb des periodischen Teilnetzwerks liegt eine räumlich isoliert dargestellte Kette von Josephsonkontakten, die von einem Teil des Netzwerkstroms durchflossen wird. Diese Kette, die Selektorkette, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie in ihrem Innern keine Knoten besitzt. Es bestehen bis auf den auf k₁ folgenden ersten Netz­ werkknoten und den direkt vor k₂ liegenden letzten Netzwerkknoten keine stromlei­ tenden Verbindungen zwischen dem periodischen Netzwerkteil und der Selektorkette. Die Selektorkette besitzt die gleiche Anzahl von Josephsonkontakten (in Reihe), wie jede Spalte vertikaler Kontakte im periodischen Netzwerkteil. Dies gewährleistet, daß im Spannungszustand der Spannungsabfall an jedem Josephsonkontakt in der Selek­ torkette und an jedem vertikalen Kontakt des periodischen Netzwerkteils identisch ist und so über die zweite Josephsonrelation von allen Kontakten dieselbe Frequenz erzeugt wird. Alle Josephsonkontakte des Selektor-Netzwerks sind bis auf Parameter­ streuungen identisch.

Bei der Darstellung in Abb. 1 handelt es sich um eine schematische Darstellung der Schaltung. In der konkreten Ausführung kommt es nicht auf die Geometrie des Netzwerks, sondern allein auf die Topologie, d. h. die Beziehung der Netzwerkelemente untereinander an, die derjenigen in Abb. 1 entsprechen muß. Die Selektorkette kann dabei in jeder beliebigen Netzwerkspalte parallel zum Netzwerkstrom liegen (auch am linken oder rechten Rand).

Die Selektor-Netzwerke erzeugen bedingt durch ihre durch die Topologie induzierte Kopplungsstruktur zwischen den Phasendifferenzen der Netzwerkkontakte kohärente Mikrowellen. Der Mechanismus der Synchronisation der an den einzelnen aktiven Kontakten erzeugten Mikrowellen beruht dabei auf einer quantenmechanischen Re­ striktion (Flußquantisierungsbedingung) und der nichtlinearen dynamischen Eigen­ schaften der Josephsonkontakte, wie sie durch die beiden Josephsonrelationen zum Ausdruck kommt. Diese physikalischen Phänomene wirken durch die Topologie von Selektor-Netzwerken so zusammen, daß kohärente Mikrowellen entstehen. Da die zu­ grundeliegenden Phänomene universellen physikalischen Charakter haben, kommt es - falls gewährleistet ist, daß diese physikalischen Effekte auftreten - für die Funkti­ onsfähigkeit der Verschaltung nicht darauf an, aus welchen Materialien die Netzwerke im speziellen Fall hergestellt werden. Auch die Größe des Selektor-Netzwerks, bzw. die Zahl der Kontakte in einem Netzwerk ist daher beliebig und im Einzelfall an die konkrete Anwendung anpaßbar. Der Synchronisationsmechanismus ist ebenfalls nicht abhängig von der räumlichen Ausdehnung des Selektor-Netzwerks bzw. seiner einzelnen Komponenten und deren räumlicher Lage zueinander.

Eine weitere Ausführung eines Selektor-Netzwerks ist in Abb. 7 dargestellt. Die Einheitszellen des periodischen Netzwerkteils enthalten hier drei Josephsonkontakte, von denen zwei aktiv sind. Die Einheitszellen am oberen und unteren Rand ent­ halten zwei aktive Kontakte. Auch eine Ausführung, die aus einer Mischung von Drei-Kontakt- und Vier-Kontakt-Einheitszellen besteht, wie in Abb. 8 gezeigt, ist möglich.

In einer nicht dargestellten Ausführung wird der Netzwerkstrom in die einzelnen Spal­ ten des periodischen Netzwerkteils und die Selektorkette durch ohmsche Widerstände zugeführt. Diese Variante kann Vorteile bei der Herstellung haben. In einer ebenfalls nicht explizit dargestellten Ausführung sind die Verbindungen zwischen der Selektor­ kette und dem periodischen Netzwerkteil normalleitend ausgeführt. Auch eine solche Ausführung beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit nicht, kann jedoch bei der Integra­ tion Vorteile haben. In einer weiteren, nicht explizit dargestellten Ausführung sind ein Teil oder alle stromleitenden Verbindungen im Selektor-Netzwerk normalleitend oder unterbrechen die Supraleitung. Auch in einer solchen Ausführung sind Selektor- Netzwerke funktionsfähig, allerdings leidet ihre Imperfektionstoleranz.

In einer alternativen, nicht explizit dargestellten Ausführung sind die Josephsonkon­ takte durch identische passive elektrische Bauelemente, die Josephsonkontakte ent­ halten, ersetzt. Zum Beispiel sind den Kontakten ohmsche Widerstände oder Induk­ tivitäten parallelgeschaltet. Insofern diese Bauelemente jeweils den Josephsoneffekt zeigen, können solche Ausführungen für Anwendungen, bei denen nicht die Durch­ stimmbarkeit, sondern die Frequenzstabilität je nach Bauart der Josephsonkontakte im Vordergrund steht, von Vorteil sein.

In einer ebenfalls möglichen, nicht explizit dargestellten Ausführung sind die Joseph­ sonkontakte als allgemeine weak-links zwischen zwei supraleitenden Elektroden oder als Bauelemente, die weak-links enthalten, ausgeführt. Insofern es sich dabei um Bauelemente handelt, die aufgrund der nichtlinearen zeitlichen Evolution der Phasen­ differenz zwischen den Elektroden Mikrowellen erzeugen, sind auch solche Selektor- Netzwerke voll funktionsfähig.

Literatur

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[19] Nonlinear Superconductive Electronics and Josephson Devices, edited by G. Co­ stabile, S. Pagano, N. Pedersen, and M. Russo (Plenum, New York, 1991).

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen mit einem Netzwerk aus stromgetriebenen Josephsonkontakten oder ähnlichen Bauelementen, insbeson­ dere auch Bauelementen, die Josephsonkontakte enthalten (im folgenden insge­ samt als Kontakte bezeichnet). Die Kurzbezeichnung lautet Selektor-Josephson- Netzwerk. Die Herstellung der Kontakte und des Netzwerks erfolgt nach bekann­ ten technischen Verfahren. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte in dem Netzwerk so durch supraleitende Verbindungen verschaltet sind, daß ein periodischer, regelmäßiger Netzwerkteil bestehend aus Einheitszellen wel­ che mehr als zwei Kontakte enthalten, von denen zwei in Stromrichtung liegen, und eine von einem Teil des Netzwerkstroms durchflossene Kette von Kontakten (Selektorkette), welche in ihrem Innern keine Knoten besitzt, entsteht und für jeden Kontakt im periodischen Netzwerkteil ein einfach geschlossener, stromlei­ tender Weg im Netzwerk existiert, so daß der Kontakt und alle Kontakte der Selektorkette auf diesem Weg liegen und für jeden Kontakt in der Selektorkette für jeden einfach geschlossenen, stromleitenden Weg durch das Netzwerk gilt, daß alle anderen Kontakte der Selektorkette sowie mindestens eine gleiche Zahl von vertikalen Kontakten des periodischen Teilnetzwerks auf diesem Weg liegen.

2. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitszellen des periodi­ schen Teilnetzes aus jeweils vier Kontakten bestehen, wovon zwei in Stromrich­ tung liegen.

3. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitszellen des periodi­ schen Teilnetzes aus jeweils drei Kontakten bestehen, wovon zwei in Stromrich­ tung liegen.

4. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Teilnetz aus einer Mischung von Einheitszellen besteht, die aus entweder drei oder vier Kon­ takten bestehen, wovon jeweils zwei in Stromrichtung liegen.

5. Vorrichtung nach 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Verbindungen oder alle Verbindungen zwischen den Netzwerkkontakten normal­ leitend sind oder die Supraleitung unterbrechen.

6. Vorrichtung nach 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Verbin­ dungen zwischen der Selektorkette und dem periodischen Netzwerkteil normallei­ tend sind oder die Supraleitung unterbrechen.

7. Vorrichtung nach 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Netzwerkstrom durch Ohmsche Widerstände in das Selektor-Netzwerk, oder die einzelnen Spalten des Netzwerks eingespeist wird.

8. Vorrichtung nach 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephsonkontakte des Netzwerks durch Schaltelemente, die Josephson-Kontakte enthalten und den ac-Josephson-Effekt zeigen, ersetzt werden.

9. Vorrichtung nach 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephson-Kontakte des Netzwerks durch Schaltelemente, die den Josephson- Effekt oder einen ähnlichen Effekt zeigen, ersetzt werden.

10. Vorrichtung nach 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der vorstehenden Vorrichtungen zu Modulen verschaltet werden.

11. Vorrichtung nach 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Module verschaltet werden, und entsprechend der Aufbauvorschrift von 1. mit Selektorketten verse­ hen werden.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Selektor-Josephson-Netzwerke durch eine Spannung ge­ trieben werden.