DE2006602A1 - Tieftemperatur-Stromkreiselement - Google Patents

Description

Dearborn/Michigan USA
The American Road

"Tieftemperatur-Stromkreiselement"

Für diese Anmeldung wird die Priorität der Anmeldung Se.No. 804 891 vom 6. März 1969 in den Vereinigten Staaten von Nordamerika in Anspruch genommen.

Kurzbeschreibung

Die Erfindung betrifft ein Tieftemperatur-Stromkreiselement zur Aussendung von Radiofrequenzen oder Josephson¹sehen Wechselstrom-Effekten. Das Element besitzt einen ersten Teil aus einem Metall, welches bei Tieftemperaturen supraleitfähig ist, und einen zweiten Teil aus einem Metall, das ein normales oder nicht-supraleitfähiges Verhalten zeigt. Einer der beiden Teile besitzt eine im wesentlichen ebene Oberfläche, während der andere Teil ein spitz zulaufendes Ende besitzt, das mit der flachen Oberfläche des einen Teils entweder in Punkt- oder Linienberührung steht.

Die Erfindung befaßt sich gleichermaßen mit einem Verfahren zum Herstellen eines solchen Tieftemperatur-Stromkreiselements.

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Gemäß diesem wird ein Werkstoff ausgewählt, welcher die Fähigkeit besitzt, bei einer Abkühlung auf eine kritische Temperatur supraleitend zu wirken, und weiterhin wird ein anderer Werkstoff ausgewählt, welcher ein normales oder nicht-supraleitfähiges Verhalten besitzt. An dem einen der beiden Teile wird dann eine ebene Oberfläche gebildet, während an dem anderen Teil ein spitz zulaufendes Ende entweder in der Form eines Punktes oder einer Messerschneide geformt wird. Die beiden Teile werden dann auf eine Temperatur abgekühlt, welche gleich oder niedriger ist als die kritische Temperatur des supraleitfähigen Werkstoffes. Der Teil mit dem spitz zulaufenden Ende wird dann in Wirkverbindung gebracht mit der ebenen Oberfläche des anderen Teiles, und zwar in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht auf der Ebene dieser ebenen Oberfläche steht.

Hauptbes ehre ibung

Auf der Basis eines Josephson'sehen Wechselstrom-Effekts wurden bereits zahlreiche Stromkreiselemente vorgeschlagen. Derartige Elemente können für Oszillatoren, Detektoren und andere Bauelemente von Stromkreisen Verwendung finden. Ihnen allen gemeinsam ist der Nachteil, daß sie äußerst schwache Verbindungen zwischen zwei supraleitfähigen Materialien besitzen, wenn diese auf supraleitende Temperaturen abgekühlt sind. Beispielsweise kann eine sehr dünne Isolierschicht zwischen zwei supraleitenden Metallen angeordnet sein, es kann auch ein Punktkontakt durch punktförmiges Anspitzen des einen der beiden Metalle und durch Berührung dieses Metalls mit dem anderen Metall gebildet sein, oder es können Ausbildungen Verwendung finden, die durch einen bestiirunten Zuschnitt oder durch eine Brücke gekennzeichnet sind und in welchen durch einen Einschnitt in einen supraleitenden Körper eine schwache, durch eiu^., reduzierten Querschnitt gebildet- Verbindung besieht. Et wurde nun bisjetzt davon ausgegangen, daß die beiden, dur.~h die schwache Verbindung voneinander getrennten Teile aus einciü -upraleitfähigen Material bestehen müssen, um die vorerwähnten Josephson'sehen

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Wechselstrom-Effekte zu erhalten. Demgegenüber wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein solches, Josephson¹sehe Wechselstrom-Effekte lieferndes Stromkreiselement aus einem ersten Teil aus supraleitfähigem Metall und einem zweiten Teil aus normalem oder nicht-supraleitfähigea Metall zu bilden, welches bereits erfolgreich erprobt worden ist. Für dieses Element ist kennzeichnend, daß der eine der beiden Teile spitz zulaufend entweder in der Form eines Punktes oder einer messerähnlichen Kante geformt wird, wobei dieses spitz zulaufende Ende nur wenige Mikrons im Durchmesser bzw. in der Breite mißt, wenn es mit dem anderen Teil in Berührung gebracht wird. Wenn eine geeignete Stromquelle an diese beiden Teile angelegt wird, um einen Strom durch die durch den Kontakt zwischen den beiden Teilen geschaffene Verbindung hindurch zu schickes, dann werden mit einem solchen Stromkreiselement Josephson*sehe Wechselstrom-Effekte erzielt.

Das Stromkreiselement kann durch Atzung einer ebenen Oberfläche auf dem einen der beiden Teile und durch Ätzung einer spitz zulaufenden Oberfläche entweder in der Form eines Punktes oder einer Messerschneide an xiera anderen Teil gebildet werden. Diese beiden Teile werden dann unter die kritische Temperatur des supraleitfähigen Metalls abgekühlt, aus welchem der eine der beiden Teile besteht. Die beiden Teile werden dann in Berührung miteinander gebracht, und zwar wird der Teil mit dem punkt- oder messerförmigen Ende senkrecht zu der ebenen Oberfläche des anderen Teils bewegt und es werden dann die beiden Teile unter leichtem Druck miteinander in Berührung gebracht. In einem derart gebildeten Stromkreiselement wurden dieselben Josephson'sehen Wechselstrom-Effekte beobachtet wie in den bekannten Elementen, die ausschließlich aus supraleitfähigem Material hergestellt sind. Das erfindungsgemäße Stromkreiselement eignet sich daher insbesondere zur Verwendung als ein Tieftemperatur-Stromkreiselement und kann zur Einzelbestimmung ov!?r zur Emission von elektromagnetischer Strahlung, zur Messung einer Spannung, einer Frequenz oder anderen Variablen, oder als ein nicht-lineares Stromkreiselement verwendet werden.

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Die Erfindung schafft demzufolge vorrangig ein Tieftemperatur-Stromkreiselement, welches Josephson¹sehe Wechselstrom-Effekte liefert. Dieses Stromkreiselement besteht aus zwei Teilen, von denen der eine aus einem Metall ist, welches supraleitfähige Eigenschaften besitzt, während der andere Teil aus einem Metall mit normalem oder nicht-supraleitfähigem Verhalten besteht. Der eine dieser beiden Teile besitzt ein vorzugsweise durch Atzung hergestelltes, punkt- oder messerförmiges Ende. Der andere Teil besitzt eine, vorzugsweise gleichfalls durch Ätzung hergestellte, im wesentlichen ebene Oberfläche. Die beiden Teile werden dann auf eine Temperdbr abgekühlt, welche gleich oder niedriger ist als die kritische Temperatur des aus dem supraleitfähigen Metall bestehenden Teils und es wird dann das punkt- oder messerförmige Ende des einen Teils in Berührung gebracht mit der ebenen Oberfläche des anderen Teils, und zwar unter Ausübung eines leichten Druckes.

Die Josephson¹sehen Wechselstrom-Effekte können sehr leicht durch Anisen einer elektrischen Energiequelle an die beiden metallischen Teile beobachtet werden, und zwar durch Anlegen beispielsweise einer Batterie, die in Reihe geschaltet ist mit einem Regelwiderstand und einem Strommeßgerät. Ein Spannungsmeßgerät ist über die beiden Teile angeschlossen und das Stromkreiselement kann einer Strahlung im Mikrowellenbereich ausgesetzt werden. Wenn der durch das Element strömende Strom erhöht wird, dann bildet sich eine nicht-lineare Wechselbeziehung in Bezug auf die Spannung quer über die beiden Teile aus, und zwar insbesondere in Bezug auf die Spannung quer über die schwache Verbindung, die an der Berührungsstelle zwischen den beiden Teilen besteht und die entweder punkt- oder linienförmig sein kann. Wenn diese Berührung punktförmig ist, dann sollte sie nur wenige Mikrons im Durchmesser messen. Ist diese Berührung hingegen linienförmig, dann sollte die Breite der Oberfläche gleichfalls nur wenige Mikrons messen.

Das erfindungsgemäße Stromkreiselement kann als ein Bauelement

für Oszillatoren, Detektoren und andere aktive Stromkreise verwendet

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ifiO DAS

werden, wobei festzuhalten ist, daß es die gleichen Josephson¹sehen Wechselstrom-Effekte liefert wie die Elemente, die in herkömmlicher Bauweise zwei Teile aus supraleitfähigem Material besitzen. Wie im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung noch näher ausgeführt wird, können für den einen Teil eine Vielzahl von Materialien mit normalem oder nicht-supraleitfähigem Verhalten Verwendung finden, was einen weiteren Gesichtspunkt für die Fortschrittlichkeit eines solchen Stromkreiselementes bildet, das dadurch sehr leicht und mit sehr geringen Kosten hergestellt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Endansicht, teilweise im Schnitt, eines erfindungsgemäßen Stromkreiselementes,

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Stromkreiselementes gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform,

Fig. 3 ein Schaltbild für eine Schaltung, in welcher ein Stromkreiselement gemäß Fig. 1 Verwendung findet,

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des nicht-linearen Ver haltens zwischen dem durch ein Stromkreiselement gemäß Erfindung geschickten Strom und der Spannung im Falle einer Ausstrahlung im Mikrowellenbereich,

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschat' 1 ichim:: des c ;■.:.-'^v· eii Stromkreiselement gemäß Erfindung hindurchpeschickten Strome? ;. ■ Verhältnis zu der absoluten Temperatur, und

Fig. 6 ein I) lag r:\mm zur V^re ran se haul ichung des A iac fsti;nd;";w*?r ~es eines St romtreiseloinoat ::-> ^emji'. Frfindimp ^e^enübor ·λ" c absoluten Temperatur.

BAD ORIGINAL

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromkreiselementes 10 besitzt einen ersten Metallteil 11 und einen zweiten Metallteil 12, Einer dieser beiden Teile ist aus einem Material hergestellt, das supraleitfähig wirkt, wenn es auf eine kritische Temperatur abgekühlt ist, der andere Teil ist demgegenüber aus einem Metall mit normalem oder nicht-supraleitfähigem Verhalten hergestellt. An dem Teil 12 ist eine ebene Oberfläche 14 ausgebildet, die durch jedes bekannte Ätzverfahren geformt sein kann, um eine Kristalloberfläche mit einem Durchmesser oder einer Breite von etwa 1/4 inch (6mm) zu formen. An dem Teil 11 ist eine punktförmige Spitze 16 ausgebildet, und zwar gleichfalls vorzugsweise mittei eines bekannten Ätzverfahrens, diese punktförmige Spitze kann im Durchmesser 1 oder 2 Mikron messen. Dieses Element 10 wird dann auf eine Temperatur abgekühlt, welche gleich oder niedriger ist ab die kritische oder Obergangstemperatur des aus dem supraleitfähigen Material hergestellten Teils. Der Teil 11 wird dann senkrecht zu der Oberfläche 14 bewegt, bis seine punktförmige Spitze 16 in Berührung kommt mit dieser Oberfläche, und zwar unter leichtem Druck.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromkreiselements unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 nur darin, daß hier der eine Teil 11 mit einem spitz zulaufenden Ende 16 in der Form einer Messerschneide ausgebildet ist. Diese Messerschneide 16 weist nur eine sehr kleine Breite in der Grös- senordnung von wen igen Mikrons auf und sie ist mit der ebenen Fläche 14 des Teils 12 in Berührung gebracht, nachdem eine Abkühlung auf eine Temperatur durchgeführt worden ist, welche qleich oder niedripex irt as die kn^.scae odr Obergan;:s-Teinpo:ri!tur des supraleitfähigen ^s' ter.lal.-, si'./ dem der eine der beiden Teile besteht. Die 1 ini .'■'< f^;. r -nige Be",'·-. urg zwischen den beiden Teilen 11 und 12 ka-;; :-tw.. zehn Mikrc-r- -ic-.jen.

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BAO ORIGINAL

oder Tantal und der Teil 12 aus Metallen mit normalem oder ferromagnetische» Verhalten hergestellt, wie Gold, Silber, Platin, Kupfer, Nickel oder Eisen. Im Rahmen einer weiteren Versuchsreihe wurde der Teil 11 aus Metallen wie Gold, Silber, Platin, Kupfer, Nickel oder Eisen hergestellt, also aus einem Material mit einem normalen oder ferromagnetischen Verhalten, und der Teil 12 wurde aus einem supraleitfähigen Material, wie beispielsweise Niobium oder Tantal hergestellt. Es sei in diesem Zusammenhang festgehalten, daß die gleichen Materialien selbstverständlich auch für das Stromkreiselement gemäß Fig. 2 Verwendung finden können. Tatsache ist, daß jedes supraleitfähige Material einerseits und jedes leitfähige Metall mit einem nicht-supraleitfähigen oder normalen Verhalten andererseits für die beiden Teile 11 und 12 des Stromkreiselements 10 der Fig. 1 und 2 Verwendung finden kann.

In Fig. 3 ist nun das Schaltbild eines Stromkreises dargestellt, in welchem ein Stromkreiselement gemäß den Fig. 1 und 2 eingebaut ist, und zwar entweder als ein Oszillator oder als ein Detektor. Gezeigt ist das Stromkreiselement gemäß Fig. 1, das Stromkreiselement gemäß Fig. 2 wäre in gleicher Art und Weise in diese, nachfolgend beschriebene Schaltungsanordnung einzubauen. In dieser bezeichnet nun 20 eine Quelle elektrischer Energie, bei welcher es sich vorzugsweise um eine Gleichstrom-Batterie handelt, an deren eine Anschlußklemme ein Regelwiderstand 22 und ein Strommeßgerät 24 in Reihe angeschlossen ist. Das Strommeßgerät ist bei 26 an den Teil 11 angeschlossen. An die andere Anschlußklemme der Batterie 20 ist der Teil 12 bei 28 angeschlossen, und ein Spannungsraeßgerät 30 ist an die beiden Teile 11 und 12 bei 26 bzw. 28 quer über die punkt- oder linienförmige Berührung angeschlossen. Das Stromkreiselement 10 wird durch die Quelle elektrischer Energie mittels des Regelwiderstandes 22 auf einen geeigneten Wert einer Vorspannung gebracht. Mittels des Strommeßgerätes 24 wird dann der Strom gemessen, während andererseits mittels des Spannungsmeßgerätes 30 die Spannung ._x,ie- über das Stromkreiselement gemesen wird. Zwischen Struii' und Spannung können dadurch geeignete Verhältnisse

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geschaffen werden, um die Josephson'sehen Wechselstroa-Effekte zu erzielen, welche die Schaffung einer oszillierenden, elektrischen Enercie durch das Stromkreiselement hindurch und insbesondere durch dessen entweder punkt.- oder linienfUreigen Kontakt zwischen den Teilen 11 und 12 einschließen. Die Frequenz dieses Stromes bzw, dieser Energie ist proportional zu der Spannung.

Die StroMkreiselemente gemäß den Fig. 1 und 2 liefern nun Strom-Spannungs-Kennlinien, welche denjenigen von Punktkontakten ähnlich sind, die insgesamt durch supraleitfähig Materialien geschaffen sind, gemäß diesen Kennlinien ist ein diskontinuierlicher Wechsel in der Spannung in Bezug auf den Strom vorhanden. Verwiesen wird in diese« Zusammenhang auf das Diagramm gemäß Fig. 4, welches dadurch erhalten wurde, daß man an dem Spannungsmeßgerät 30 jeweils die Spannungswerte für einen Strom ablas, der seinerseits durch das Strommeßgerät 24 bestimmt werden konnte, wobei man so vorging, daß man das Stromkreiselement 10 auf eine Temperatur unter der kritischen oder Obergangstemperatur des aus supraleitfähigem Material hergestellten Teils abkühlte und es dann einer Strahlung im Mikrowellenbereich aussetzte. Für den Fachmann ist aus diesem Diagramm erkennbar, daß die gezeigte Strom-Spannungs-Kennlinie sehr ähnlich derjenigen ist, die von zwei supraleitfähigen Materialien erhalten wird, die in punktförmiger Berührung miteinander stehen, sodaß damit nachgewiesen ist, daQ mittels der Stromkreiselemente gemäß den Fig. 1 und 2 Josephson'sehe Wechselstrom-Effekte erzielt werden können. Die Kennlinie gemäß Fig. 4 wurde mit einem Stromkreiselement erzielt, bei welchem der Teil 11 aus Niobium und der Teil 12 aus Nickel bestand.

Die Fig. 5 zeigt die Temperaturabhängigkeit des kritischen Stromes durch die Kontakte zwischen den Teilen 11 und 12 des Stromkreiselements gemäß Fig. 1 hindurch und Fig. 6 zeigt die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes der Strom-Spannungs-Kennlinie eines solchen Stromkreioelements. Diese beiden Kennlinien stehen für ein Stromkreiselement, bei welchem der Teil 11 aus Tantal und der Teil

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12 aus Kupfer bestand. Es wird angenommen, daß die Temperaturabhängigkeit einen Rückschluß zuläßt auf das Wachstum der induzierten Supraleitfähigkeit nahe der Oberfläche des Metalls mit normalem Verhalten, in dem untersuchten Fall also von Kupfer. Der große Wechsel in dem Widerstand steht demzufolge für das Wachstum der Supraleitfähigkeit in Bezug auf Kupfer. Es ist nun aus den Diagrammen ohne weiteres erkennbar, daß die Übergangstemperatur der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Stromkreiselemente etwas niedriger liegt als die normale Übergangstemperatur allein für den supraleitfähigen Teil, also im untersuchten Fall für Tantal, weil Tantal eine kritische oder Obergangstemperatur in der Größe von 4,38°K besitzt.

In der untersuchten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromkreiselements gemäß Fig. 1 wurde dem Teil 12 eine Dicke zwischen etwa 3 und 6 mm gegeben, während der Teil 11 ein Draht mit einem Durchmesser zwischen etwa 0,125 und 1,5 mm war. Die Spitze 16 wurde auf einen Durchmesser zwischen 1 und 2 Mikrons geätzt, sodaß sie mit der ebenen Oberfläche 14 des Teils 12 in einem Durchmesser von etwa 0,25 mm in Berührung stand. Ein solches Stromkreiselement vermag infolge des Josephson'sehen Effekts Schwingungen im Gigaherz-Bereich erzeugen. Es wurde gefunden, daß mit einigen der erfindungsgemäßen Stromkreiselemente Schwingungen in der Größenordnung von 35 Gigaherz erzielt werden können.

Die Erfindung schafft also ein Tieftemperatur-Stromkreiselement, welches Josephson¹sehe Wechselstrom-Effekte zu liefern vermag und welches eine schwache Verbindung zwischen einem supraleitfähigen Metall und einem Metall mit normalem oder nicht-supraleitfähigem Verhalten besitzt, wenn das Stromkreiselement auf eine Temperatur niedriger als die kritische oder Übergangs-Temperatur des supraleitfähigen Metalls abgekühlt wird.

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Claims (6)

1. - ίο -

   Patentansprüche

   ( 1.JTieftemperatur-Stromkreiselement, gekennzeichnet durch zwei in einer punkt- oder linienförmigen Berührung miteinander gehaltene, metallische Teile (11,12), von denen der Werkstoff des einen bei Tieftemperaturen supraleitfähig ist und der Werkstoff des anderen ein normales oder nicht-supraleitfähiges Verhalten besitzt.
2. 2. Stromkreiselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine (11) der beiden Teile (11,12) mit einem, vorzugsweise durch Ätzung erzeugten, spitz zulaufenden, insbesondere punkt- oder schneidenförmigen Ende (16) und der andere Teil (12) mit einer mit diesem Ende in Berührung gehaltenen, vorzugsweise gleichfalls durch Ätzung erzeugten, ebenen Oberfläche (14) versehen ist.
3. 3. Stromkreiselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser bzw. die Breite des punkt- bzw. schneidförmigen Endes (16) des einen Teils (11) an der Stelle seiner Berührung mit dem anderen Teil (12) wenige Mikrons mißt.
4. 4. Stromkreiselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (11) mit dem spitz zulaufenden Ende (16) aus dem supraleitfähigen Werkstoff besteht.
5. 5. Stromkreiselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil (11) aus Niobium bzw. Tantal und der andere Teil (12) aus Nickel bzw. Kupfer besteht.
6. 6. Verfahren zum Herstellen eines Tieftemperatur-Stromkreiselements nach einem der Ansprüche 1 bfc 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (11,12) auf eine Temperatur abpekühlt werden, welche gleich oder niedriger ist als die kritische oder Oberganpstemperatur des supraleitfähigen Werkstoffes des einen Teils, ehe der mit dem spitz zulaufenden Ende (16) versehene Teil (11) mit der

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   ebenen Oberfllche (14) ues anderen Teils (12) in einer zu dieser senkrecht stehenden Richtung in Berührung gebracht wird.

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