DE19710039A1 - Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen mit einem Netzwerk aus Josephsonkontakten (Selektor-Josephson-Netzwerk) - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen mit einem Netzwerk aus Josephsonkontakten (Selektor-Josephson-Netzwerk)Info
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Description
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) IA fließt von oben nach unten (in einer Richtung)
durch das Netzwerk. Der Effekt bildet sich im Netzwerk dadurch, daß ein Teil des
treibenden Stroms IA 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 ic 2r angegeben und die Frequenz in Einheiten von icr.
Dabei bezeichnet ic 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.
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 IA, 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.
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997110039 DE19710039A1 (de) | 1997-03-12 | 1997-03-12 | Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen mit einem Netzwerk aus Josephsonkontakten (Selektor-Josephson-Netzwerk) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997110039 DE19710039A1 (de) | 1997-03-12 | 1997-03-12 | Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen mit einem Netzwerk aus Josephsonkontakten (Selektor-Josephson-Netzwerk) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19710039A1 true DE19710039A1 (de) | 1998-09-17 |
Family
ID=7823005
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1997110039 Ceased DE19710039A1 (de) | 1997-03-12 | 1997-03-12 | Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter Mikrowellen mit einem Netzwerk aus Josephsonkontakten (Selektor-Josephson-Netzwerk) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19710039A1 (de) |
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