DE4124048A1 - Josephsonkontakte in hochtemperatursupraleitern und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Josephsonkontakte in Hochtem­ peratursupraleitern und auf ein Verfahren zu deren Herstellung. Mehrere Verfahren in dieser Art sind aus der Literaturstelle Superconductor Industry, Band 4, Heft 2, Sommer 1991, Seite 31 bis 32 bekannt.

Als Josephsonkontakt wird eine Schwachstelle zwischen zwei Su­ praleitern bezeichnet, in welcher die beiden Josephsoneffekte zu beobachten sind. Diese Schwachstelle kann ein supraleitendes Gebietsein, dessen Sprungtemperatur niedriger ist als die Sprung­ temperatur der benachbarten Supraleiter. Die Schwachstelle kann auch ein Normalleiter sein. Schließlich kann die Schwachstelle auch eine Isolatorschicht sein, die genügend dünn ist, um Elek­ tronen "durchtunneln" zu lassen. Das "Sandwich" eines sogenann­ ten Josephson-Tunnelkontakts besteht demnach aus zwei supralei­ tenden Schichten, die durch eine dünne Isolatorschicht vonein­ ander getrennt sind.

Die supraleitenden Schichten entstehen beispielsweise aus 1 mm breiten und 2000 Å dicken, metallischen Streifen, die nachein­ ander auf einer Glasplatte aufgedampft werden (vgl. Scientific American, Band 214, 1966, Seite 30 bis 39). Als supraleitendes Metall kommt beispielsweise Zinn in Frage. Zwischen den beiden Zinnstreifen mit der Schichtdicke von etwa 2000 Å liegt eine sehr dünne, etwa 10 Å dicke Isolationsschicht, die durch Oxi­ dation des Zinns zu Zinnoxid entstanden ist. Wenn man die Zinn­ streifen mit elektrischen Kontakten für Strom und Spannung ver­ sieht und die gesamte Anordnung in einem Dewar-Gefäß unter die Sprungtemperatur für Zinn abkühlt, so sind die physikalischen Bedingungen gegeben, bei denen die Josephsoneffekte beobachtet werden können. Wegen der niedrigen Sprungtemperatur für Zinn (kleiner als 4 Kelvin) wird dieser Josephsonkontakt mit abge­ pumptem flüssigem Helium gekühlt. Im Dewar-Gefäß wird der in­ nere, mit flüssigem Helium gekühlte Mantel zusätzlich durch einen äußeren mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kühlmantel umgeben.

Ein Josephsonkontakt kann nicht nur aus Supraleitern wie Zinn, Blei oder Niob aufgebaut werden, sondern auch aus keramischen Supraleitern, die seit 1986 bekannt sind. Während die Sprung­ temperatur der klassischen, im Jahre 1911 entdeckten Supralei­ ter in der Regel zwischen 5 und 20 Kelvin und damit nur knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt, können keramische Supra­ leiter bereits bei wesentlich höheren Temperaturen ihren elek­ trischen Widerstand verlieren. Im Jahre 1990 lag die höchste bekannte Sprungtemperatur bei 125 Kelvin (vgl. Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1990, Seite 118 bis 126). Die keramischen Supraleiter werden deshalb auch als Hochtemperatursupraleiter bezeichnet. Bei denjenigen Hochtemperatursupraleitern, bei de­ nen die Sprungtemperatur über 77 Kelvin liegt, genügt eine Kühlung aus flüssigem Stickstoff, um den supraleitenden Zu­ stand zu erreichen. Die Stickstoffkühlung ist einfach und bil­ lig zu bewerkstelligen.

Bei den keramischen Supraleitern handelt es sich um Kristalle, in denen unterschiedliche Metalloxide eine komplizierte Kri­ stallstruktur aus unterschiedlichen Koordinationspolyedern bil­ den. Als Koordinationspolyeder bezeichnet man eine energetisch stabile Raumanordnung von großen Metallatomen, die von kleinen Sauerstoffatomen umgeben sind. Entscheidend für das elektri­ sche Verhalten fast aller Hochtemperatursupraleiter ist die chemische Bindung zwischen Kupfer und Sauerstoff. Zusätzlich zum Kupfer sind weitere Metallatome wie Lanthan, Barium, Calcium, Wis­ mut, Strontium usw. in den Kristallverband eingelagert. Die Koor­ dinationspolyeder des Kupferoxids sind in Ebenen oder Doppelebe­ nen angeordnet.

Unter einem Kristall wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sowohl ein Einkristall verstanden, der aus einer Schmelze gezogen wird, als auch eine Kristallschicht, die epitaktisch auf einem Substrat aufgebracht wird.

Um Josephsonkontakte aus keramischen Supraleitern herzustellen, nutzt man als Schwachstelle eine Korngrenze zwischen zwei anein­ anderstoßenden Kristallen. Aus der eingangs genannten Literatur­ stelle Superconductor Industry geht hervor, daß Korngrenzenkon­ takte dieser Art nicht so leistungsfähig sind, wie Josephson­ kontakte, die aus klassischen Niedertemperatursupraleitern auf­ gebaut sind. Zur Erzeugung der dünnen Filme der Korngrenzenkon­ takte werden Verfahren der Laserablagerung und der photolitho­ graphie herangezogen. Bei der Laserablagerung beispielsweise wachsen drei Schichten nacheinander epitaxial auf einem Substrat auf. Zwei Hauptprobleme dieser Korngrenzenkontakte werden be­ nannt. Der genaue Ort, an dem der Kontakt zwischen den supra­ leitfähigen und den nicht-supraleitfähigen Schichten auftritt, unterliegt dem Zufall und ist kaum steuerbar. Außerdem ist die Erzeugung einer größeren Zahl von Kontakten noch nicht steuerbar.

Der prinzipielle Aufbau eines Josephsonkontakts ist in Fig. 1a graphisch dargestellt. Das Kreuzsymbol zwischen den beiden su­ praleitenden Schichten steht für die Schwachstelle, die aufgrund des Gleichstrom-Josephsoneffekts von einem Suprastrom I durch­ flossen wird. Der Spannungsabfall am Josephsonkontakt, der mit U bezeichnet ist, ist gleich Null und der Suprastrom I fließt ohne Leitungsverlust, wenn die Bedingungen für den Gleichstrom- Josephsoneffekt vorliegen. Unter den Bedingungen des Wechsel­ strom-Josephsoneffekts nimmt der Spannungsabfall U endliche Werte an, so daß im Kontakt Leistung umgesetzt wird.

Die Josephsoneffekte werden als bekannt vorausgesetzt. Eine aus­ führliche Darstellung ist beispielsweise in dem bereits erwähn­ ten Artikel Scientific American Band 214, 1966, Seite 30 bis 39 enthalten, auf den Bezug genommen wird. Demnach können Elektro­ nenpaare, sogenannte Cooperpaare, aufgrund ihrer Wellennatur eine isolierende Barriere zwischen zwei supraleitenden Gebie­ ten durchtunneln. In jedem Supraleiter liegen sehr viele Cooper­ paare vor. Diese Cooperpaare besetzen einen makroskopischen Quantenzustand mit der Wellenfunktion ψ= const·e^{i Φ}. Φ wird als Phase der Wellenfunktion bezeichnet.

Fig. 1b zeigt, wie sich diese Vorstellung an einem Josephson­ kontakt auswirkt. Bei einem Schnitt durch die Schichtenfolge sind die supraleitenden Ladungsträger nicht gleichmäßig ver­ teilt. In den beiden supraleitenden Gebieten herrscht eine hohe Dichte der Cooperpaare, während in der Schwachstelle nur wenige oder keine Cooperpaare vorhanden sind. Die Cooperpaardichte in den beiden Supraleitern SL1 und SL2 kann gleichgroß sein, muß es aber nicht. In dem gegebenen Supraleiter SL1 hat die Wellenfunk­ tion die Phasenlage Φ₁, in dem Supraleiter SL2 hat die Wellen­ funktion die Phase Φ₂. Wenn der Supraleiter SL2 sehr weit ent­ fernt wäre, so würden in den getrennten Supraleitern die Cooper­ paare zwei bestimmte, aber voneinander unabhängige Phasenlagen Φ₁ und Φ₂ besitzen. Durch den Josephsonkontakt gemäß Fig. 1 sind die Phasen der beiden Gebiete miteinander gekoppelt. Josephson hat gezeigt, daß der Suprastrom I, der leistungslos als Gleichstrom durch den Kontakt gemäß Fig. 1a fließt, nach der einfachen Be­ ziehung

I = I_c sin γ (1)

γ = Φ₁ - Φ₂

von der Phasendifferenz γ und dem maximal möglichen Supragleich­ strom I_c abhängt.

Während sich beim Gleichstrom-Josephsoneffekt die gesamte Struk­ tur trotz der Schwachstelle wie ein einziges supraleitendes Ge­ biet verhält, kann der Wechselstrom-Josephsoneffekt unter phy­ sikalischen Bedingungen beobachtet werden, bei denen eine end­ liche Potentialdifferenz U am Kontakt abfällt. Wenn der in Kon­ takt erzwungene Transportstrom I den maximalen Suprastrom I_c über­ schreitet, so führt die am Kontakt abfallende Spannung U zu einer zeitlichen Änderung der Phasendifferenz γ Nach Josephson gilt hierfür die Beziehung:

e = Elementarladung
ℏ = h/2π
h = Planck'sches Wirkungsquantum.

Auch dieser Effekt wird als bekannt vorausgesetzt. Bei einem bestimmten Spannungsabfall U nimmt die Phasendifferenz γ kon­ tinuierlich zu. Wegen der sinusförmigen Beziehung (1) schwingt der Josephsonstrom I mit einer Frequenz, die folgender Beziehung gehorcht:

ν = (2e/h) · U (2a)

Diese Relation wird als Josephson-Spannungs-Frequenz-Beziehung bezeichnet. Der hochfrequente Wechselstrom in Kontakt ist mit der Abstrahlung eines elektromagnetischen Feldes verbunden. Die Frequenz liegt im Mikrowellenbereich.

Das gängigste Modell zur Beschreibung eines Josephsonkontakts ist das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2. Der Gleichstrom-Joseph­ soneffekt tritt ein, wenn der extern angelegte Strom I klein genug ist, um im Wege der Supraleitung die Lücke (Kreuzsymbol) zu überwinden. Bei höherem Transportstrom I entsteht ein Span­ nungsabfall U, der nicht nur die Aufladung einer Kapazität C des Kontakts und einen zusätzlichen Gleichstrom durch einen Wirkwiderstand R des Kontakts bewirkt, sondern auch den Supra­ strom I_c·sinγ entsprechend Gleichung (2) zum Schwingen bringt. Mit Blick auf den Wechselstrom entspricht der Stromzweig mit Kreuzsymbol einer Induktivität, so daß das Wechselstromersatz­ schaltbild einem gedämpften Schwingkreis ähnelt. Aus dem Ersatz­ schaltbild läßt sich die folgende Differentialgleichung ablei­ ten, die den externen Gleichstrom I mit dem zeitlich veränderli­ chen Phasenunterschied γ verknüpft:

Außer der externen Stromquelle kann auch ein externes Mikrowel­ lenfeld auf den Josephsonkontakt einwirken. In diesem Fall wird das Ersatzschaltbild um eine Wechselstromquelle erweitert. (Fig. 3). Entsprechend wird die Differentialgleichung um den Term I_AC sinωt erweitert. Die externe Mikrowellenfrequenz in­ terferiert mit der internen Josephsonstromfrequenz, so daß in der Stromspannungskennlinie des Kontakts Stromsprünge bei be­ stimmten Spannungen auftreten (Shapiro-Effekt).

Klassische Supraleiter, die typischerweise aus den Metallen Blei, Niob und Zinn einschließlich gewisser Legierungen dieser Metalle bestehen, haben bereits vielfältige Anwendungen gefun­ den. Hierzu gehört eine geschlossene supraleitende Schleife mit zwei Josephsonkontakten, die unter dem Namen SQUID (Superconduc­ ting Quantum Interference Device) bekannt geworden ist. Hierbei handelt es sich um das derzeit empfindlichste Gerät zum Nach­ weis von Magnetfeldern. Beispielsweise werden in der Medizin die schwachen Magnetfelder der Gehirnströme gemessen.

Eine weitere Anwendung ergibt sich aus dem Übergang vom Gleich­ strom-Josephsoneffekt zum Wechselstrom-Josephsoneffekt. Bei Überschreiten der kritischen Stromstärke I_c tritt der endliche Spannungsabfall schlagartig in Erscheinung. Das abrupte Auftre­ ten der Spannung U ist der schnellste und dissipationsärmste Schaltvorgang, welcher derzeit bekannt ist. Auf dieser Grundlage sind ultraschnelle Schalter für die Digitaltechnik konstruiert worden.

Beim Wechselstrom-Josephsoneffekt ist die Frequenz der abgestrahl­ ten elektromagnetischen Welle proportional zum Spannungsabfall am Kontakt. Damit lassen sich kontinuierlich durchstimmbare Hochfre­ quenzsender bauen. Die höchsten erreichbaren Frequenzen reichen bis in den THz-Bereich.

Eine besonders wichtige Anwendung ist das Josephson-Spannungsnor­ mal. Diese Anwendung basiert auf der Einstrahlung von Hochfre­ quenzfeldern, also auf dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3. Beim Betrieb eines solchen Kontakts treten in der Stromspannungskenn­ linie bei bestimmten Josephsonspannungen Stromstufen auf (Shapiro- Effekt). Die Genauigkeit dieser Josephsonspannungen hängt nach der Spannungsfrequenzbeziehung (2a) nur von den Genauigkeiten ab, mit denen die Mikrowellenfrequenz und die in der Gleichung enthalte­ nen Naturkonstanten angegeben werden können. Diese Unsicherhei­ ten sind sehr gering; beispielsweise ist der Josephsonquotient 2e/h=4,8359767 nur mit einer relativen Unsicherheit von 0,3 zu 1 Million behaftet. Der Kehrwert des Josephsonquotienten liegt bei 2,068 µV/GHz. Seit 1990 wird auch in der Bundesrepublik Deutschland die Einheit der elektrischen Spannung durch die Be­ ziehung (2a) definiert. Um zur Kalibrierung sekundärer Span­ nungsnormale Spannungen der Größenordnung 1 Volt zu erreichen, werden zur Zeit bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Serienschaltungen von mehreren tausend Josephsonkontakten bei Frequenzen um 90 GHz eingesetzt.

Wichtig ist, daß bei allen erwähnten Anwendungen flüssiges He­ lium zur Kühlung verwendet werden muß. Außerdem ist die Her­ stellung der Josephsonkontakte auf der Basis der klassischen Su­ praleiter aufwendig.

Bei Hochtemperatursupraleitern, die wegen des geringen Kühlungs­ aufwands attraktiv sind, ist es noch erheblich schwieriger, Jo­ sephsonkontakte herzustellen. Anwendungen von Hochtemperatursu­ praleitern als Josephsonkontakte sind daher bisher nur in Form von Einzelkontakten für SQUID′s realisiert worden.

Die Erfindung steht vor der Aufgabe, Josephsonkontakte einfacher herzustellen als dies mit bekannten Strukturierungsverfahren mög­ lich ist.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Her­ stellungsverfahren gelöst. Der Patentanspruch 15 definiert ei­ nen Hochtemperatursupraleiter, dessen monokristalliner Aufbau als Josephsonkontakt genutzt wird. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird eine Besonderheit der Kristallstruktur der Hochtemperatursupraleiter benutzt, um Josephsonkontakte zu konstruieren. Die Hochtemperatursupraleiter sind kristalline Schichtstrukturen, bei denen der elektrische Transport in den Kupferoxidebenen stattfindet. Die elektrische Leitfähigkeit in Richtungen parallel zu den Kupferoxidebenen kann um mehrere Grö­ ßenordnungen oberhalb der Leitfähigkeit senkrecht dazu (Leitfä­ higkeit in der c-Achse) liegen. Diese Anisotropie ist in Fig. 4 am Beispiel des Hochtemperatursupraleiters Bi₂Sr₂ CaCu₂, O₈ der eine Sprungtemperatur von beispielsweise 80 bis 90 Kelvin be­ sitzt, dargestellt. Man erkennt Doppelebenen aus Kupferoxid, in denen die Koordinationspolyeder jeweils von Pyramiden gebildet werden. Zwischen den Kupferoxidebenen liegen Schichten mit Wis­ mut-, Strontium- und Calciumatomen.

Für die Erfindung kommen zwei Klassen von Hochtemperatursupra­ leitern in Frage. Die erste Klasse weist Doppelebenen von Kupfer­ oxid auf, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Jede Doppelebene ist ein supraleitendes Gebiet mit hoher Cooperpaardichte. Die Josephsonkontakte befinden sich jeweils zwischen den Doppel­ ebenen. Beispiele für Hochtemperatursupraleiter dieser Klasse sind:

Ein Beispiel für eine zweite Klasse von Hochtemperatursupra­ leitern, in denen das Kupferoxid in einfachen Ebenen statt in Doppelebenen vorliegt, ist Tl Ba₂ Cu O₅. Die Koordination von Kupfer und Sauerstoff in diesen Ebenen geschieht in Oktaedern. Auch zwischen je zwei solcher Ebenen können mit der erfindungs­ gemäßen Technik Josephsonkontakte gebildet werden.

Bisherige Realisierungen von Josephsonkontakten mit Hochtempera­ tursupraleitern zielten darauf ab, sich natürliche oder künst­ lich hergestellte Korngrenzen zu Nutze zu machen. Die Eigen­ schaften der Korngrenzen waren im Stand der Technik für die Schwachstelle zwischen zwei supraleitenden Gebieten verantwort­ lich. Dieser Ansatz erforderte einen erheblichen Aufwand bei der Herstellung des Kontakts. Trotz des hohen Aufwands sind Jo­ sephsonkontakte dieser Art schlecht reproduzierbar.

Mit der Erfindung gelingt es durch gezielte Veränderung der Ginz­ burg-Landau-Kohärenzlänge senkrecht zu den Kupferoxidebenen, zwischen je zwei solcher Ebenen oder Doppelebenen Josephsonkon­ takte entstehen zu lassen.

Eine Besonderheit der Hochtemperatursupraleiter ist es, daß die Schichtanordnung der Kupferoxidebenen eine periodische Modula­ tion der Cooperpaardichte längs der Richtung senkrecht zu den Schichten (kristallographische c-Achse) bewirkt.

Die Erfindung hat erkannt, daß diese Modulation soweit beein­ flußbar ist, daß technisch nutzbare Josephsonkontakte entste­ hen. Steuerparameter für die Modulationstiefe, die sich in Er­ weiterung der Fig. 1b periodisch nach rechts und links fortsetzt, ist das Verhältnis zwischen der Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge und dem Abstand der Kupferoxidebenen oder -doppelebenen. Die genannte Kohärenzlänge ist nach der Ginzburg-Landau-Theorie der Supraleitung als Maß für das Abklingen der Cooperpaardichte an einer Supraleiter-Isolator-Grenzfläche definiert.

Zur Beeinflussung der Kohärenzlänge werden die Kristalle in In­ ertgasatmosphäre oder im Vakuum bei kontrolliertem Sauerstoff­ partialdruck und bei Temperaturen bis zu 700°C getempert, bis ein Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeiten parallel zu den Kupferoxidebenen zu der Leitfähigkeit senkrecht zu den Ebenen zwischen 10 und ca. 10⁶ erreicht ist. Die elektrischen Eigen­ schaften der Kontakte wie Kapazität C und Nebenschlußwiderstand R und kritische Suprastromdichte j_c lassen sich so für den ge­ wünschten Anwendungsfall genau einstellen.

Ein erfindungsgemäß hergestellter Einkristall bildet einen Stapel von Josephsonkontakten in atomarer Größenordnung. Weil die Ei­ genschaften des Stapels auf die Schichtung des Einkristalls zurückzuführen sind, wird die Erfindung als Herstellung intrin­ sischer Josephsonkontakte charakterisiert. Die Sauerstoffbehand­ lung läuft im allgemeinen auf eine Verminderung der quantenme­ chanischen Kopplung zwischen den supraleitenden Ebenen hinaus, kann jedoch bei bestimmten Kristallen auch eine Erhöhung der quantenmechanischen Kopplung bewirken. Daneben ist es zur Erzie­ lung der intrinsischen Josephsoneffekte notwendig, daß die Aus­ dehnung des Einkristalls in Richtung der supraleitfähigen Ebe­ nen eine Grenze nicht überschreitet, die durch die Eindring­ tiefe des Magnetfeldes parallel zu den Ebenen gesetzt wird. Wenn die Ausdehnung der Kristalle diese Eindringtiefe überschreitet, würde das Eigenfeld der Transportströme durch den Kontakt zur Ausbildung von Flußwirbeln führen, die den gewünschten Josephson­ effekt überdecken würden.

Ein Ausführungsbeispiel und drei mögliche Anwendungen der Erfin­ dung werden anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine räumliche Anordnung der Supraleiter mit einem Josephsonkontakt (Fig. 1a) und ein Beispiel für die zugehörige Cooperpaardichte als Funktion des Orts in der Umgebung des Kontakts (Fig. 1b);

Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Josephson­ kontakts;

Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Josephson­ kontakts bei Anwesenheit eines zusätzlichen externen Mikrowellenfeldes;

Fig. 4 die Schichtstruktur eines für die Erfindung geeigne­ ten keramischen Materials mit Koordinationspolyedern;

Fig. 5 ein schematischer Schnitt senkrecht zu den Ebenen eines Hochtemperatursupraleiters nach der Erfindung;

Fig. 6 ein Modell eines stromgesteuerten Hochfrequenzsen­ ders nach der Erfindung;

Fig. 7 das Prinzip eines Josephsonspannungsnormals nach der Erfindung;

Fig. 8 das Prinzip einer SQUID-Schleife zur Messung schwacher Magnetfelder mit intrinsischen Josephsonkontakten nach der Erfindung.

Um einen Josephsonkontakt mit denjenigen Eigenschaften zu erzeu­ gen, die anhand der Fig. 1 bis 3 aufgezeigt wurden, wird erfin­ dungsgemäß die Schichtstruktur eines keramischen Materials heran­ gezogen. In Fig. 4 ist beispielhaft die Kristallstruktur des Hochtemperatursupraleiters Bi₂ Sr₂ Ca Cu₃ O₈ dargestellt. Die Kristallstruktur dieses an sich bekannten Hochtemperatursupra­ leiters zeichnet sich durch eine Kupferoxid-Doppelebene aus. In der Doppelebene stehen sich die Basisflächen von pyramidenförmi­ gen Koordinationspolyedern gegenüber. Zwischen den Kupferoxid­ doppelebenen liegen verhältnismäßig dicke, wenig leitfähige Schichten aus Wismut und Sauerstoff. In der Auswahl eines Supra­ leiters mit einer Kristallstruktur, wie sie beispielhaft in Fig. 4 dargestellt ist, liegt ein Aspekt der Erfindung.

Die gezielte Veränderung der Leitfähigkeit senkrecht zu den Ebe­ nen wirkt sich so aus, daß weniger Sauerstoffatome als üblich in den Zwischenschichten liegen und die supraleitfähigen Schichten stärker voneinander isoliert werden.

Ein so behandelter Einkristall kann als Stapel von Josephsonkon­ takten benutzt werden. Die Fig. 5 zeigt modellhaft, wie ein sol­ cher Stapel aufgebaut und von einem Suprastrom durchflossen ist. Die Kupferoxid-Doppelebenen bilden in diesem Ausführungsbeispiel die supraleitenden Gebiete, zwischen denen die erzeugten Schwach­ stellen liegen. Wenn der erfindungsgemäße Einkristall quer zu der Schichtrichtung von einem Strom I durchflossen wird, dann zeigt der Kristall als solcher diejenigen Eigenschaften, die auf die Josephsoneffekte zurückgehen. Beispielsweise läßt sich an dem Kristall eine kritische Stromstärke I_c feststellen, bei deren Überschreitung eine Spannung am Kristall abfällt und Mikrowellen­ energie abgestrahlt wird.

Für die Erfindung ist auch wichtig, daß die Breite b des Ein­ kristalls in Richtung der Ebenen nicht zu groß wird. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Hochtemperatursupraleiter hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Einkristall eine Fläche von 30 µm·30 µm besitzt. Diese Abmessung in horizontaler Rich­ tung ist kleiner als die Eindringtiefe des Magnetfelds in dieser Richtung, die bei dem gewählten Ausführungsbeispiel ungefähr bei 100 µm liegt.

Die Erfindung läßt sich überall dort anwenden, wo Josephsonkon­ takte auf der Basis von klassischen Supraleitern bereits Anwen­ dung gefunden haben. In allen Anwendungsfällen ist der Aufwand für die Herstellung der Josephsonkontakte und der Aufwand für die Integration mit anderen Schaltungselementen wesentlich ge­ ringer als bisher. Zusätzlich erlaubt die Verwendung von Hoch­ temperatursupraleitern flüssigen Stickstoff als Kühlmittel. Die Packungsdichte einer Anordnung aus mehreren Josephsonkontakten läßt sich auf atomare Größenordnungen reduzieren.

Die Fig. 6 zeigt - insoweit ähnlich wie die Fig. 5 - schematisch den Schnitt durch die Kristallstruktur von Bi₂ Sr₂ Ca Cu₂ O₈ senk­ recht zu den Kupferoxidebenen. Zusätzlich ist jedem Josephson­ kontakt das Modell gemäß Fig. 2 überlagert. Stellt man durch einen eingeprägten Strom I einen Spannungsabfall U über dieser Anordnung ein, so gilt für die Frequenz der Mikrowellenstrah­ lung

ν = (1/N) (2e/h) U (4)

N = Zahl der hintereinandergeschalteten Josephsonkontakte.

Da die entsprechende Differentialgleichung (3) nichtlinear ist, können die einzelnen Josephsonkontakte aufeinander einrasten, d. h. elektromagnetische Strahlung konstanter Phasenlage emittieren. Bei der Interaktion zwischen den einzelnen Josephson­ kontakten spielt die Tatsache eine Rolle, daß die Induktivität der hintereinandergeschalteten Parallel-Schwingkreise kein lineares Element ist. Bei dem erfindungsgemäßen Einkristall lie­ gen die Josephsonkontakte so dicht zusammen, daß die Interaktion von Kontakt zu Kontakt über eine interne Rückkopplung stattfin­ det. Beispielsweise können mehr als N=50 Josephsonkontakte ei­ ne Gruppe bilden, die durch eine feste Phasenbeziehung aufeinander abgestimmt sind. Diese Phasenübereinstimmung macht sich beim Sha­ piro-Effekt dadurch bemerkbar, daß die Spannungsstufen N mal grö­ ßer sind als sie es für einen einzelnen Josephsonkontakt wären.

Das Kristallplättchen ist im untersuchten Ausführungsbeispiel 3 µm dick. Die Anzahl der möglichen Kontakte beträgt z. B. 700 pro µm Kristalldicke. Diese hohe Anzahl von Kontakten erlaubt relativ hohe Abstrahlleistungen, ein entscheidender Vorteil ge­ genüber der Hintereinanderschaltung diskreter Kontakte. Bei der Hintereinanderschaltung diskreter Kontakte ist die Abmessung der Anordnung durch die Wellenlänge der emittierten Strahlung nach oben begrenzt. Die Packungsdichte von Josephsonkontakten ist bei den derzeit bekannten Strukturierungsverfahren gering. Die Packungsdichte im erfindungsgemäßen Kristall wird dagegen durch den Abstand der Ebenen gemäß Fig. 4 bestimmt und über­ schreitet die bekannten Packungsdichten um mehrere Größenordnun­ gen.

Der Kristall läßt sich als stromgesteuerter Hochfrequenzsender verwenden. Die Rückkopplungsimpedanz Z symbolisiert die in­ terne Rückkopplung. Bei Serienschaltung diskreter Josephson­ kontakte im klassischen Sinne ist an dieser Stelle eine externe Beschaltung zur Erzielung des Einrastvorgangs unvermeidlich. Die erfindungsgemäße Kristalleigenschaft wurde durch eine Mikro­ wellenabstrahlung im X-Band-Bereich bestätigt. Der X-Band-Bereich umfaßt Frequenzen von 10 bis 12 GHz. Mit dem erfindungsgemäßen Kristall sind jedoch noch wesentlich höhere Frequenzen zu erzeu­ gen. Durch Variation des Stroms I läßt sich die Frequenz steuern.

Die Umkehrung der Anordnung gemäß Fig. 6 führt zu einem Joseph­ son-Spannungs-Normal (Fig. 7). Der Kristall wird einer Mikrowel­ leneinstrahlung von definierter Frequenz ausgesetzt. Die am Kristall entstehende Spannung U gehorcht der Gleichung (4). Die Spannungsabfälle der N beteiligten Josephsonkontakte addieren sich. Bei einer Mikrowellenfrequenz von 10 GHz wurde eine Span­ nung von U=2 mV erreicht. Bei entsprechend hohen Kapazitäten C kann erreicht werden, daß die Spannung U am Kristall entsteht, ohne daß Strom I aufgeprägt werden muß. Es genügt allein die Mikrowelleneinstrahlung zur Erzeugung des Gleichstromanteils.

Auch der als SQUID bekannte Magnetfelddetektor kann mit den intrinsischen Josephsonkontakten wesentlich einfacher reali­ siert werden als bisher. Fig. 8 zeigt zwei erfindungsgemäße Ein­ kristalle. Die beiden Kristalle sind in bekannter Weise durch supraleitende Verbindungen zu einer Schleife verschaltet. Schon sehr kleine Magnetfelder senkrecht zu dieser Schleife sind in der Lage, meßbare Änderungen des kritischen Stroms in der Supraleiteranordnung zu bewerkstelligen. Ein SQUID gemäß Fig. 8 kann in integrierter planarer Schaltungstechnik her­ gestellt werden. Hierzu müssen in dem supraleitenden Ring die zwei Kristalle so integriert werden, daß der Strom im Ring die Kristalle jeweils parallel zur kristallographischen c-Achse pas­ siert.

Claims (22)

1. Verfahren zur Herstellung von Hochtemperatursupralei­ tern, die nach folgenden Herstellungsschritten mindestens einen intrinsischen Josephsonkontakt bilden:

• - ein kleiner Einkristall, dessen Abmessungen unterhalb der Eindringtiefe des Magnetfelds senkrecht zur kristal­ lographischen c-Achse liegen, wird aus der Schmelze ei­ nes Hochtemperatursupraleiters gezogen oder epitaktisch auf ein Substrat aufgebracht;
• - der Einkristall wird in inerter Atmosphäre oder im Vakuum bei kontrolliertem Sauerstoffpartieldruck herge­ stellt oder nachbehandelt;
• - an den Grenzflächen, die parallel zu den supraleit­ fähigen Schichten des Einkristalls liegen, werden gut leitfähige Kontakte aufgedampft;
• - der Einkristall wird unter seine supraleitende Sprung­ temperatur abgekühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Josephsonkontakte im Einkristall einen dichtgepackten Stapel bilden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Supraleiter aus Bi₂ Sr₂ Ca Cu₂ O₈ besteht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Supraleiter aus der Klasse

ausgewählt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der keramische Supraleiter aus Tl Ba₂ Cu O₅ oder aus einer anderen Keramik der Klasse mit einfachen Kupferoxidebenen besteht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Einkristallplättchen oder eine mono­ kristalline Schicht mit einer Dicke ungefähr zwischen 100 Å und 10 µm.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Abmessungen in Schichtrichtung, die kleiner als 100 µm·100 µm sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Einkristallplättchen, das in Schichtrichtung etwa 30 µm·30 µm mißt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Argon, Helium oder Stickstoff als Inert­ gas.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kontrollierte Sauerstoffpar­ tialdruck zwischen null und mehreren hundert bar liegt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Tempern in Argon-Atmosphäre als Nachbe­ handlung.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Tem­ pern bei etwa 700°C oder geringeren Temperaturen.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Goldkontakte an den Grenzflächen.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Kontaktwiderstände von weniger als 10^-4 Ohm cm².

15. Monokristalliner Hochtemperatursupraleiter mit schicht­ weise vorliegenden supraleitfähigen Ebenen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand benachbarter supra­ leitfähiger Schichten oder Doppelschichten etwa 10x so groß ist wie die supraleitende Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge in Rich­ tung dieses Abstands, und daß das monokristalline Plättchen oder die Schicht in Richtung der supraleitfähigen Ebenen nicht größer dimensioniert ist als die Eindringtiefe eines externen Magnet­ felds parallel zu den Ebenen.

16. Monokristalliner Hochtemperatursupraleiter nach An­ spruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht durch Kupferoxid gebildet wird.

17. Monokristalliner Hochtemperatursupraleiter nach An­ spruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke unge­ fähr zwischen 100 Å und 10 µm.

18. Monokristalliner Hochtemperatursupraleiter nach An­ spruch 15 bis 17, gekennzeichnet durch Abmessungen in Schicht­ richtung, die kleiner als 100 µm·100 µm sind.

19. Monokristalliner Hochtemperatursupraleiter nach An­ spruch 15 bis 18, gekennzeichnet durch ein Einkristallplätt­ chen, das in Schichtrichtung etwa 30 µm·30 µm mißt.

20. Monokristalliner Hochtemperatursupraleiter nach den Ansprüchen 15 bis 19, gekennzeichnet durch Goldkontakte an den Grenzflächen parallel zu den supraleitfähigen Schichten.

21. Monokristalliner Hochtemperatursupraleiter nach den Ansprüchen 15 bis 20, gekennzeichnet durch Kontaktwiderstände von weniger als 10^-4 Ohm cm².