DE4124048C2

DE4124048C2 - Supraleitfähiges Bauelement mit einem Josephsonkontakt in einem monokristallinen Hochtemperatursupraleiter und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE4124048C2
Application number: DE4124048A
Authority: DE
Inventors: Paul Dr Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2011-07-20
Also published as: DE69215016D1; EP0523725B1; US5346882A; JPH05206530A; EP0523725A2; EP0523725A3; DE69215016T2; DE4124048A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein supraleitfähiges Bauelement mit einem Josephsonkontakt in einem monokristallinen Hochtemperatursupraleiter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Bauelement ist aus der DE 38 22 904 A1 bekannt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements.

Als Josephsonkontakt wird eine Schwachstelle zwischen zwei Su praleitern bezeichnet, in welcher die beiden Josephsoneffekte zu beobachten sind. Diese Schwachstelle kann ein supraleitendes Gebiet sein, 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 200 nm 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 200 nm liegt eine sehr dünne, etwa 1 nm 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. 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.

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. 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·eⁱ ^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.

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 im 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·sin γ 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 sin ωt 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 Beziehung (2a) definiert. Um zur Kalibrierung sekundärer Spannungsnormale 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 Helium zur Kühlung verwendet werden muß. Außerdem ist die Herstellung der Josephsonkontakte auf der Basis der klassischen Supraleiter aufwendig.

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

Aus der eingangs genannten DE 38 22 904 A1 ist ein Josephson-Element aus oxidkeramischem Supraleitermaterial bekannt, bei dem der Bereich schwacher Kopplung nicht durch eine Korngrenze, sondern durch eine Stufe gebildet wird. Dieses Josephson-Element ist schichtartig aus einer Basiselektrode, einer Gegenelektrode und dem sich dazwischen erstreckenden Bereich schwacher Kopplung aufgebaut. Ein Substrat enthält einen Sockel, der eine Stufe ausbildet. Die Basiselektrodenschicht und die Gegenelektrodenschicht sind mittels dieses Sockels beabstandet, wobei die Elektrodenschichten und der Bereich schwacher Kopplung aus einem sich über die Stufe erstreckenden Hochtemperatursupraleitermaterial mit geordneter Kristallstruktur gebildet sind. Dabei befindet sich der Bereich schwacher Kopplung an der Stufe und hat eine Ausdehnung senkrecht zu den Ebenen der Elektrodenschichten von 100 nm. Durch diese Anordnung soll die Anistropie der kritischen Stromdichte des Hochtemperatursupraleitermaterials zur Ausbildung eines Josephson-Elements genutzt werden. Demgemäß ist an der Stufe, d. h. zwischen den zwei Schichten mit hoher kritischer Stromdichte in den Schichtebenen, ein Übergangsbereich ausgebildet, in dem die kritische Stromdichte senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung dieser Schichten wesentlich kleiner ist. Als Folge der kleineren kritischen Stromdichte im Übergangsbereich wird in der Druckschrift eine nur schwache Kopplung zwischen den beiden als Basiselektrode und Gegenelektrode dienenden Schichten hoher kritischer Stromdichte angenommen, so daß der Übergangsbereich quasi eine Schwachstelle zwischen den Elektrodenschichten darstellt. Als weitere geometrische Bedingung wird angeführt: Die parallel zu den Ebenen der Elektrodenschichten zu messende Querschnittsfläche des Übergangsbereichs schwacher Kopplung kann dabei nur so groß sein, daß die angestrebte Schwachstellenfunktion gewährleistet ist.

Die beschriebene geometrische Einengung des Übergangsbereichs in Verbindung mit der geringeren kritischen Stromdichte im Übergangsbereich gewährleisten jedoch nicht, daß tatsächlich eine schwache Kopplung zwischen der Basiselektrodenschicht und der Gegenelektrodenschicht realisiert wird.

Die Erfindung steht vor der Aufgabe, bei einem supraleitfähigen Bauelement und bei einem Herstellungsverfahren die Bedingungen anzugeben, unter denen sich in Hochtemperatursupraleitern technisch verwertbare Josephson-Kontakte bilden.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene supraleitende Bauelement und durch das im Patentanspruch 12 angegebene Herstellungsverfahren gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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.

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 derart 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;

Fig. 6 ein Modell eines stromgesteuerten Hochfrequenzsen ders;

Fig. 7 das Prinzip eines Josephsonspannungsnormals;

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

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 Wechselwirkung zwischen den einzelnen Josephson kontakten spielt die Tatsache eine Rolle, daß die Induktivität der hintereinandergeschalteten Parallel-Schwingkreise kein lineares Element ist. Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement lie gen die Josephsonkontakte so dicht zusammen, daß die Wechselwirkung 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 des Bauelements 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 Bauelement wird dagegen durch den Abstand der Ebenen gemäß Fig. 4 bestimmt und über schreitet die bekannten Packungsdichten um mehrere Größenordnun gen.

Das Bauelement 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 angestrebten Eigenschaften des Bauelements wurden durch eine Mikro wellenabstrahlung im X-Band-Bereich bestätigt. Der X-Band-Bereich umfaßt Frequenzen von 10 bis 12 GHz. Mit dem erfindungsgemäßen Bauelement 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). Das Bauelement wird einer Mikrowel leneinstrahlung von definierter Frequenz ausgesetzt. Die am Bauelement 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 Bauelement 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. Das in Fig. 8 dargestellte Bauelement mit den Merkmalen der Erfindung enthält zwei 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

1. Supraleitfähiges Bauelement mit einem Josephsonkontakt in einem monokristallinen Hochtemperatursupraleiter, welcher schichtweise vorliegende supraleitfähige Schichten und dazwischenliegende wenig leitfähige Schichten aufweist,
dadurch gekennzeichnet,

- daß zur Ausbildung mindestens eines intrinsischen Josephsonkontaktes der Abstand benachbarter supraleitfähiger Schichten etwa 10mal so groß ist wie die supraleitende Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge in Richtung dieses Abstandes bei der Betriebstemperatur des monokristallinen Hochtemperatursupraleiters,
- daß der monokristalline Hochtemperatursupraleiter parallel zu den supraleitfähigen Schichten nicht größer dimensioniert ist als die Eindringtiefe eines externen Magnetfeldes parallel zu den Schichten, und
- daß an den Grenzflächen des monokristallinen Hochtemperatursupraleiters parallel zu den supraleitfähigen Schichten gut leitfähige Kontakte liegen.

2. Supraleitfähiges Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitfähigen Schichten durch einfache oder doppelte Kupferoxidebenen gebildet werden.

3. Supraleitfähiges Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatursupraleiter aus der Klasse ausgewählt ist.

4. Supraleitfähiges Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatursupraleiter aus Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ besteht.

5. Supraleitfähiges Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatursupraleiter aus TlBa₂CuO₅ oder aus einer anderen Verbindung der Klasse mit einfachen Kupferoxidebenen besteht.

6. Supraleitfähiges Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des monokristallinen Hochtemperatursupraleiters senkrecht zu den supraleitfähigen Schichten ungefähr 10 nm bis 10 µm beträgt.

7. Supraleitfähiges Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des monokristallinen Hochtemperatursupraleiters parallel zu den supraleitfähigen Schichten kleiner als 100 µm × 100 µm sind.

8. Supraleitfähiges Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Abmessungen etwa 30 µm × 30 µm sind.

9. Supraleitfähiges Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gut leitfähigen Kontakte aus Gold bestehen.

10. Supraleitfähiges Bauelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, gekennzeichnet durch Kontaktwiderstände von weniger als 10^-4Ohm cm².

11. Supraleitfähiges Bauelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Josephsonkontakte im monokristallinen Hochtemperatursupraleiter einen dichtgepackten Stapel bilden.

12. Verfahren zur Herstellung eines Josephsonkontakts in einem Hoch temperatursupraleiter mit schichtweise vorliegenden supraleitfähigen Schichten und mit dazwischenliegenden wenig leitfähigen Schichten, wobei der Hochtemperatursupraleiter nach folgenden Herstellungs schichten mindestens einen intrinsischen Josephsonkontakt bildet:

- ein kleiner Einkristall, dessen Abmessungen unterhalb der Ein dringtiefe eines Magnetfeldes parallel zu den supraleitfähigen Schichten liegen, wird aus der Schmelze eines Hochtemperatur supraleiters gezogen oder epitaktisch auf ein Substrat aufge bracht;
- der kleine Einkristall wird zur Beeinflussung der Leitfähigkeit der Schichten zwischen den supraleitfähigen Schichten, ausgehend von inerter Atmosphäre oder Vakuum, bei kontrolliertem Sauer stoffpartialdruck hergestellt oder nachbehandelt;
- an den Grenzflächen, die parallel zu den supraleitfähigen Schichten des kleinen Einkristalls liegen, werden gut leitfähige Kontakte aufgedampft.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatursupraleiter aus der Klasse ausgewählt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatursupraleiter aus Bi₂Sr₂Ca₂O₈ besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatursupraleiter aus TlBa₂CuO₅ oder aus einer anderen Keramik der Klasse mit einfachen Kupferoxidebenen besteht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die Dicke des Einkristalls senkrecht zu den supraleitfä higen Schichten ungefähr 10 nm bis 10 µm beträgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abmessungen des Einkristalls parallel zu den supraleitfähigen Schichten kleiner als 100 µm × 100 µm sind.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen etwa 30 µm × 30 µm sind.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet durch Goldkontakte an den Grenzflächen.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, gekennzeichnet durch Kontaktwiderstände von weniger als 10^-4 Ohm cm².

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, gekennzeichnet durch Argon, Helium oder Stickstoff als Inertgas.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekenn zeichnet, daß beim Schritt der Beeinflussung der Leitfähigkeit der Schichten zwischen den supraleitfähigen Schichten ein kontrollierter Sauerstoffpartialdruck zwischen Null und mehreren hundert bar verwendet wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, gekennzeichnet durch Tempern in Argon-Atmosphäre als Nachbehandlung.

24. Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch Tempern bei etwa 700°C oder geringeren Temperaturen.

25. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit der wenig leitfähigen Schichten so beeinflußt wird, daß das Verhältnis der Leitfähigkeit parallel zu den Schichten zur Leitfä higkeit senkrecht zu den Schichten zwischen 10 und ca. 10⁶ liegt.