DE2063613C3 - Supraleitendes Bauelement - Google Patents

Description

Beträgt die Dicke der Isolierschicht nur 10 bis

20 A, so zeigt das supraleitende Bauelement eine ungewöhnliche Eigenschaft, die als »Josephson-Effekt« bezeichnet wird. Die F i g. 1 und 2 zeigen in schema-30 tischer Form ein Beispiel eines herkömmlichen Bauelements mit dem Josephson-Effekt. Dabei bezeich-

Die Erfindung betrifft ein supraleiu'ndcs Bauele- nen die Bezugsziffern 1 und 2 zwei supraleitende ment, das aus zwei supraleitenden Schichten und Schichten aus Niob, Blei od. dgl., während 3 eine einer zwischen diesen angeordneten dritten Schicht Isolierschicht mit einer Dicke von 10 bis 20 A besteht. 35 bzeichnet, die aus Nioboxid, Bleioxid, einer hochpo-

Bei den bekannten supraleitenden Bauelementen lymcren Verbindung od. dgl. besteht,
besieht die Zwischenschicht aus einer dünnen Isolier- Um die Strom-Spannungs-Kcnnlin^e dieses supra-

schicht von etwa 10 bis 2OA; statt einer Isolier- leitenden Elements zu beobachten, werden eine verschicht kann (wie bekannt aus den »IEEE Transac- änderliche Gleichstromquelle4, ein Widerstands tions on Electron Devices« Bd. ED-16, Nr. 10, Okto- 40 und ein Amperemeter 6 in Serie mit den jeweiligen ber 1969, S. 840 bis 844) mit einer leitenden Schicht, Enden der supraleitenden Schichten 1 und 2 geschaletwa einer Kupferschicht von 10 000 A Dicke, gear- tet, während ein Voltmeter 7 zwischen den jeweils beitet werden. Wird an ein solches supraleitendes anderen Enden der supraleitenden Schichten 1 und 2 Bauelement eine Gleichspannung angelegt, so tritt liegt. Das supraleitende Element wird auf einer sehr eine Schwingung mit einer Frequenz von einigen 100 45 tiefen Temperatur von 4,2° K gehalten, wodurch die Megahertz auf. Die Leistung dieser Schwingung be- supraleitenden Schichten 1 und 2 in supraleitendem trägt jedoch nur etwa 10"'" Watt. Aus diesem Grund Zustand gehalten werden. Bei dieser Anordnung ist bisher noch kein praktisch arbeitsfähiges elcktro- kann der Strom beobachtet werden, der bei der an nischcs Gerät gebaut worden, bei dem eines der be- dem Element liegenden Spannung V durch das EIekanntcn supraleitenden Bauelemente mit Erfolg ver- 50 ment fließt. Fig.4 zeigt die sich ergebende Stromwerulet worden wäre. Spannungs-Kennlinie des Elements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein su- Gemäß dieser Kennlinie gibt der Bereich α in

praleitcndes Bauelement zu schaffen, das Schwingun- Fig. 4 den Zustand an, bei dem die Spannung zwigen mit wesentlich höherer Leistung zu erzeugen ver- sehen den Anschlüssen des Elements Null ist, selbst mag und sich daher als Bauelement in elektronischen 55 wenn Strom durch das Element fließt; d. h. der Bc-Gerätcn praktisch ausnützen läßt. reich α entspricht dem Zustand, in dem der Supralei-

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge- tungsstrom fließt. Dieser Bereich wird als Gleichlöst, daß die Zwischenschicht aus hartem supraleiter stromeffekt-Bereich bezeichnet. Der kritische Stromdent Material besteht, dessen unteres kritisches Ma- wert Ic in dem Bereich α ändert sich in Abhängigkeit gnetfeld niedriger ist als das kritische Magnetfeld der 60 von der Größe des an dem Element liegenden Mabciden anderen Schichten. gnetfelds sehr empfindlich. Dieses Phänomen wird

Elektrische Verbindungen von Bauelementen, die generell als Gleichstromeffekt bezeichnet,
ebenso aufgebaut sind, sind aus der französischen Der Bereich b gibt den Zustand an, in dem fast

Patentschrift 1 460281 zwar bekannt, jedoch handelt kein Gleichstrom in dem Element fließt, selbst wenn es sich hierbei nicht um Bauelemente im Sinne der 65 an den Anschlüssen eine Spannung liegt. Zu beach-Erfindung. ten ist, daß in dem Bereich b in der Isolierschicht 3

Die Erfindung wird in der nachstehenden Be- eine hochfrequente Schwingung auf etwa SOOMHz Schreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im auftritt. Mit anderen Worten findet in dem Bereich b

in dem Element selbst eine hochfrequente Schwingung statt, und von dem Element läßt sich Mikrowellcnencrgie entnehmen. Man hat erkannt, daß die Schwingungsfrequenz der an dem Element selbst liegenden Spannung proportional ist. Dieses Schwingungsphänomen wird als Wechselstromeffekt, der Bereich b als Wechselstromcffekt-Berejch bezeichnet.

In Fig.5 bezeichnet die Bezugsziffer 10 ein Substrat aus Glas oder Quarz, und 10 und 11 sind dünne supraleitende Filme, die auf dem Substrat 10 mit einer Dicke von mehr als 1 bis 2 μ und einer Breite von gewöhnlich etwa O₁I mm ausgebildet sind. Als Material für diese supraleitenden Filme wird Blei, Niob, Tantal od. dgl. verwendet. Die Bezugsziffer 13 bezeichnet eine Zwischenschicht mk einer Dicke von mehreren 10 bis mehreren 1000 A. die zwischen den beiden supraleitenden Filmen eingeschaltet ist. Diese Zwischenschicht besteht aus hartem supraleitendem Material, dessen unteres kritisches Magnetfeld Wc₁ kleiner ist als das kritische Magnetfeld Hc Jesjenigen supraleitenden Materials, aus dem die supraleitenden Filme 11 und 12 bestehen. Diese Tatsache bildet eine der bemerkenswerten Eigenschaften der vorliegenden Erfindung. In einem speziellen Ausführungsbeispie! wird für die supraleitenden Filme 11 und 12 Blei und für die Zwischenschicht 13 eine Blei-Indium-Legierung verwendet. Statt Blei kann für die Filme Jl und 12 auch ein anderes Metall, wie etwa Niob oder Tantal, verwendet werden. In diesem Fall wird für die Schicht 13 eine entsprechende Legierung, etwa eine Niob-Molybdän- oder eine Niob-Tantal-Legierung benützt.

Der Grund, aus dem für die Zwischenschicht 13 ein harter Supraleiter verwendet wird, soll im folgenden beschrieben werden. Bekanntlich klassifiziert man Supraleiter in erster Linie nach weichen und harten Supraleitern. Die Magnetisierungskenniinien bezüglich des angelegten magnetischen Feldes sind bei den beiden Supraleitern ganz verschieden. Beim weichen Supraleiter tritt bei Anlegen eines Magnetfeldes, das größer ist als das kritische Magnetfeld Hc, ein Magnetfluß gleichmäßig in den Supraleiter ein, und der supraleitende Zustand wird zerstört. Beim harten Supraleiter gibt es dagegen ein unteres kritisches Magnetfeld Hc₁ und ein oberes kritisches Magnetfeld Hc₂. Ist das angelegte Magnetfeld kleiner als Wc₁, so tritt kein Magnetfluß in den Supraleiter ein. Liegt das angelegte Magnetfeld dagegen zwischen /Zc₁ und Wc₂, so tritt in den Supraleiter ein Magnetfluß ein, der regelmäßig auf dem Quanten-Magnetfluß als Einheit beruht. Es wird angenommen, daß in dem Josephson-Elcment eine Schwingungsleistung erzeugt wird, weil sich der Quantenfluß in der Zwischenschicht kohärent und gleichmäßig verschiebt. Aus diesem Gesichtspunkt heraus muß die Zwischenschicht aus einem harten Supraleiter bestehen.

An Hand von F i g. S soll der Grund beschrieben werden, aus dem die kritischen Magnetfelder der Filme 11 und 12 stärker sein müssen als das untere kritische Magnetfeld Wc₁ der Zwischenschicht 13. Das Josephson-Element arbeitet in dem Wcchselslromeffekt-Bereich rur dann, wenn sich die Filme 11 und 12 im supraleitenden Zustand und die Zwischenschicht 13 in dem gemischten Zustand (d. h. in dem Zustand, in dem der Quantenfluß in die Zwischenschicht eintritt) befinden. Um einen solchen Zustand herzustellen, muß das das Element umschließende Magnetfeld stärker sein als das untere kritische Magnetfeld Wc, des die Zwischenschicht 13 bildenden Supraleiters und gleichzeitig kleiner als das kritische Magnetfeld Wc der Filme 12 und 13, Ist das für den Film 11 benützte supraleitende Material von dem

Material des Films 12 verschieden, so wird das kleinere der kritischen Magnetfelder als Hc betrachtet; wird für beide Filme 11 und 12 der gleiche Supraleiter verwendet, so wird das kleinere ihrer unteren kritischen Magnetfelder als Wc betrachtet. Auf jeden

jo Fall muß die Beziehung Wc, <LHc hergestellt werden.

Unter Erfüllung der Bedingung Hc₁-^CHc läßt sich der größtmögliche Wert für Wc₁ in einer Anordnung erzielen, in der beispielsweise für die Filme 11 und 12 Niob oder Blei und für die Zwischenschicht 13 eine Blei-Indium-, eine Niob-Molybdän-, eine Niob-Tantal-Legierung oder dergleichen verwendet wird. In diesem Fall beträgt der Wert von Wc₁ einige hundert Oersted, während der äquivalente Wert Hc₁ der dünnen Isolierschicht in einem kon\entioncllcn Element nur etwa 1 Oersted beträgt. Die Schwingungslcistung P des erfindungsgemäßen Elements ist etwa 10'¹ITIaI größer als bei dem konventionellen Element. Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Elements nach Fig. 5 wird im folgenden beschrieben. Zunächst wird auf die Oberfläche eines Glas- oder Quarz-Substrats Blei in einer Breite von 0,1 mm und einer Dicke von 1 bis Iu durch Vakuumverdampfung aufgetragen. Dies erfolgt einfach durch Aufdampfen mit einer Maske gemäß der Fotoresist-Technik. Sodann wird die Maske ausgewechselt, und auf den Bleifilm wird Indium mit einer Dicke von einigen hundert A aufgedampft. Darauf wird unter Verwendung einer rechteckigen Maske, von der ein Teil die rechteckige Indiumschicht kreuzt, wiederum Blei mit einer Dicke von mehr als 1 bis 2 u aufgedampft. Während dieses Aufdampfungsvorgangs diffundiert Blei aus dem aufgedampften Bleifilm über eine kurze Zeitspanne in den

40' aufgedampften Indiumfilm ein, wodurch sich die Indiumschicht in eine Schicht aus Blei-lndium-Legierung verwandelt. Man erhält also ein supraleitendes Element, bei der eine dünne Filmschicht eines harten Supraleiters aus Blei-Indium-Legierung zwischen

4S dünnen weichen Siipralciterfilmcn aus Blei angeordnet ist. Als weiteres Beispiel werden Niob, Molybdän und wiederum Niob (in dieser Reihenfolge) auf die Oberfläche eines Glassubstrats aufgedampft und in einem Vakuumofen miteinander diffundiert, wodurch

5» man ein Element erhält, bei dem die Zwischenschicht aus Niob-Molvbdän-Legierung besteht. Zur Ausbildung der Zwischenschicht kann auch Nioh-Molybdän-Legicrung od. dgl. direkt aufgedampft werden. Fig. 6 gibt ein Kennliniendiagramm wieder, in

5:; dem Versucruergebnisse an einem Element gezeigt sind, bei dem eine Schicht aus Indium-Blei-I.egicrung zwischen zwei supraleitenden Bleischichten angeordnet ist. Bei diesem Versuch wurde das Element mit einer Mikrowelle von 930OMlIz bestrahlt, und

6'D es wurden die an dem Element liegende Spannung sowie der in dem Element fließende Strom gemessen, um die Beziehung zwischen Strom und Spannung herauszufinden. Das an das Element angelegte externe Magnetfeld W,._v/ betrug gemäß Fig.6 0, 500,

O₅ 800 und 1200Oe.

Wie aus diesem Kcnnliniendiagramm hervorgeht, beträgt der Strom Ic des erfindungsgemäßen Elements bis zu mehreren hundert Milliampere im Vcr-

gleich zu nur einigen Milliampere bei dem herkömmlichen Josephson-Element. Wird dem Element eine Mikrowelle zugeführt, so ändert sich der darin fließende Strom stufenweise bei bestimmten Spannungen (vgl. Fig.6). Die Länge dieser Stufe steht in enger Beziehung zu dem Wert der von dem Element abgegebenen Mikrowellen-Ausgangsleistung, in dem Versuch wurde beobachtet, daß die Stufenlänge um eine Größenordnung größer war als bei dem herkömmlichen Josephson-Element. Dies zeigt, daß das erfindungsgemäße Element in der Lage ist, eine weit größere Schwingungsenergie abzugeben als das herkömmliche Element. Ein weiteres unterscheidendes Merkmal des erfindungsgemäßen Elements im Vergleich zu dem herkömmlichen Element besteht darin, daß auch dann eine Mikrowellenschwingung erzeugt wird, wenn ein großes externes Magnetfeld angelegt wird. Wie in F i g. 6 gezeigt, ist die Stromstufe beispielsweise selbst dann noch klar zu erkennen, wenn H_exl 800 Oerstedt beträgt. Daraus ist ersichtlich, daß sich die Schwingung unter einem großen externen Magnetfeld fortsetzen kann. Mit anderen Worten heißt dies, daß die Schwingungssiabilität gegenüber externen Magnetfeldern groß ist. Dieser Vorteil ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Element als Schwingungselement ausgewertet wird.

F i g. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in schematischcr Darstellung. Dieses Element wird dadurch erzeugt, daß Tantal, Molybdän, Tantal-Molybdän-Legierung, Niob-Tantal-Legierune u.dgl. auf die Oberfläche eines dünnen supraleitenden Drahtes 14 aus Niob u.dgl. aufgedampft wird, der seinerseits an einem Substrat 10 aus Glas od. dgl. befestigt ist; auf das genannte aufgedampfte Metall wird ein dünner supraleitender Draht 16 aus Niob od. dgl. aufgepreßt, und von dem Draht 14 zum Draht 16 wird in Höchstvakuum oder in reiner Argon-Atmosphäre ein Sti&mfluß gerichtet, wobei die Temperatur an der Verbindungsstelle der beiden dünnen Drähte angehoben wird, um die beiden Drähte durch Schmelzen miteinander zu verbinden,

ίο wodurch zwischen den Drähten 14 und 16 eine supraleitende Legierungsschicht 15 gebildet wird.

Es wurde experimentell beobachtet, daß dieses Element nahezu die gleichen Strom-Spannungs-Kennlinien aufweist, wie sie in F i g. 6 gezeigt sind.

Wie oben beschrieben, wird das erfindungsgemäße supraleitende Element im wesentlichen dadurch hergestellt, daß eine harte supraleitende Schicht mit einer Dicke von etwa einigen zehn bis zu einigen tausend A zwischen zwei miteinander gleichen oder ver-

ao schiedenen Supraleitern ausgebildet wird, wobei das untere kritische Magnetfeld der harten supraleitenden Schicht kleiner ist als das kritische Magnetfeld der beiden anderen Supraleiter. Dieses Element ist in der La-?e, einen wesentlich stärkeren Gleichstrom

as und eine wesentlich höhere Schwingungsleistung abzugeben als das herkömmliche Element. Da die Frequenz der Schwingung proportional zu der an das Element angelegten Spannung ist, läßt sich das erfindungsgemäße Element zur Mikrowellen-Modulation verwenden. Wird das erfindungsgemäße Element auf seiner negativen Widerstandskennlinie betrieben, so läßt es sich auch effektvoll als Schaltelement. Speicherelement od. dgl. einsetzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 Vergleich mit einem herkömmlichen supraleitenden ... Bauelement an Hand der Zeichnungen näher erläu- Patentanspruche; tert; in den zeichnungen zeigt F i g. I eine perspektivische Darstellung eines her-

1. Supraleitendes Bauelement, das aus zwei su- 5 kömmlichen supraleitenden Bauelements,
praleitenden Schichten und einer zwischen diesen Fig.2 einen Schnitt längs der Linie IWI in angeordneten dritten Schicht besteht, da- F i g. 1,

durch gekennzeichnet, daß die Zwi- Fig.3 und 4 Strom/Spannungs-Kennlinien eines

selenschicht (13; 15) aus hartem supraleitendem herkömmlichen supraleitenden Bauelements,

Material besteht, dessen unteres kritisches Ma- xo Fig.5 und 7 perspektivische Darstellungen von

gnetfeld niedriger ist als das kritische Magnetfeld erfindungsgemäßen supraleitenden Bauelementen,

der beiden anderen Schichten (H, 12; 14,16). und

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge- Fig.6 ein Diagramm der Strom/Spannungs-Kennkennzeichnet, daß die supraleitende Zwischen- linien eines erfindungsgemäßen supraleitenden Bauschicht (13; 15) eine Dicke von mehreren zehn 15 elements.

bis zu mehreren hundert A hat. In F i g. 3 ist eine generell bekannte Strom-Span-

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, da- nungs-Kennlinie eines supraleitenden Bauelements durch gekennzeichnet, daß die beiden anderen gezeigt, bei dem eine Isolierschicht mit einer Dicke Schichten (11, 12; 14, 16) aus weichem supralei- von einigen zehn A zwischen zwei supraleitenden tendem Material bestehen. »0 Teilen angeordnet ist. Gemäß dieser Kennlinie fließt

fast kein Strom in dem Bauelement, wenn die anliegende Spannung V kleiner ist als die Spannung Ve, die dem Bandabstand des Supraleiters entspricht. 1st die Spannung V dagegen größer als Ve, so fließt in-25 folge des üblichen Tunnileffekts Strom.