DE69215016T2

DE69215016T2 - Josephson-Kontakte in Hochtemperatur Supraleitern und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE69215016T2
Application number: DE69215016T
Authority: DE
Inventors: Paul Dr Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1992-07-17
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2012-07-18
Also published as: EP0523725B1; EP0523725A3; DE69215016D1; DE4124048C2; US5346882A; DE4124048A1; JPH05206530A; EP0523725A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Josephsonkontakte in Hochtemperatursupraleitern und auf ein Verfahren zu deren Herstellung. Mehrere Verfahren 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 Supraleitern bezeichnet, in welcher die beiden Josephsoneffekte zu beobachten sind. Diese Schwachstelle kann ein supraleitendes Gebiet sein, dessen Sprungtemperatur niedriger ist als die Sprungtemperatur der benachbarten Supraleiter. Die Schwachstelle kann auch ein Normalleiter sein. Schließlich kann die Schwachstelle auch eine Isolierschicht sein, die genügend dünn ist, um Elektronen "durchtunneln" zu lassen. Das "Sandwich" eines sogenannten Josephson-Tunnelkontakts besteht demnach aus zwei supraleitenden Schichten, die durch eine dünne Isolatorschicht voneinander getrennt sind.
Die supraleitenden Schichten entstehen beispielsweise aus 1 mm breiten und 2000 Å dicken, metallischen Streifen, die nacheinander 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 Oxidation des Zinns zu Zinnoxid entstanden ist. Wenn man die Zinnstreifen mit elektrischen Kontakten für Strom und Spannung versieht 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 abgepumptem flüssigen Helium gekühlt. Im Dewar-Gefäß wird der innere, mit flüssigem Helium gekühlte Mantel zusätzlich durch einen äußeren, mit flüssigem Stickstoff gekühlten Mantel 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 Sprungtemperatur der klassischen, im Jahre 1911 entdeckten Supraleiter in der Regel zwischen 5 und 20 Kelvin und damit nur knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt, können keramische Supraleiter bereits bei wesentlich höheren Temperaturen ihren elektrischen 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 denen die Sprungtemperatur über 77 Kelvin liegt, genügt eine Kühlung aus flüssigem Stickstoff, um den supraleitenden Zustand zu erreichen. Die Stickstoffkühlung ist einfach und billig zu bewerkstelligen.
Bei den keramischen Supraleitern handelt es sich um Kristalle, in denen unterschiedliche Metalloxide eine komplizierte Kristallstruktur aus unterschiedlichen Koordinationspolyedern bilden. Als Koordinationspolyeder bezeichnet man einen energetisch stabile Raumanordnung von großen Metallatomen, die von kleinen Sauerstoffatomen umgeben sind. Entscheidend für das elektrische Verhalten fast aller Hochtemperatursupraleiter ist die chemische Bindung zwischen Kupfer und Sauerstoff. Zusätzlich zum Kupfer sind weitere Metallatome wie Lanthan, Barium, Calcium, Wismut, Strontium usw. in den Kristallverband eingelagert. Die Koordinationspolyeder des Kupferoxids sind in Ebenen oder Doppelebenen angeordnet.
Unter einem Kristall wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sowohl ein Einkristall verstanden, der aus einer Schmelze gezogen wird, als auch eine Kristalschicht, die epitaktisch auf einem Substrat aufgebracht wird.
Um Josephsonkontakte aus keramischen Supraleitern herzustellen, nutzt man als Schwachstelle eine Korngrenze zwischen zwei aneinanderstoßenden Kristallen. Aus der eingangs genannten Literaturstelle Superconductor Industry geht hervor, daß Korngrenzenkontakte dieser Art nicht so leistungsfähig sind, wie Josephsonkontakte, die aus klassischen Niedertemperatursupraleitern aufgebaut sind. Zur Erzeugung der dünnen Filme der Korngrenzenkontakte werden Verfahren der Laserablagerung und der Photolithographie herangezogen. Bei der Laserablagerung beispielsweise wachsen drei Schichten nacheinander epitaxial auf einem Substrat auf. Zwei Hauptprobleme dieser Korngrenzenkontakte werden benannt. Der genaue Ort, an dem der Kontakt zwischen den supraleitfähigen und den nicht-supraleitfähigen Schichten auftritt, unterliegt dem Zufall und ist kaum steuerbar. Außerdem ist die Erzeugung einer größeren Anzahl von Kontakten noch nicht steuerbar. Der prinzipielle Aufbau eines Josephsonkontakts ist in Fig. 1a graphisch dargestellt. Das Kreuzsymbol zwischen den beiden supraleitenden Schichten steht für die Schwachstelle, die aufgrund des Gleichstrom-Josephsoneffekts von einem Suprastrom I durchflossen 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 Wechselstrom-Josephsoneffekts nimmt der Spannungsabfall U endliche Werte an, so daß im Kontakt Leistung umgesetzt wird.
Die Josephsoneffekte werden als bekannt vorausgesetzt. Eine ausführliche Darstellung ist beispielsweise in dem bereits erwähnten Artikel Scientific American Band 214, 1966, Seite 30 bis 39 enthalten, auf den Bezug genommen wird. Demnach können Elektronenpaare, sogenannte Cooperpaare, aufgrund ihrer Wellennatur eine isolierende Barriere zwischen zwei supraleitenden Gebieten durchtunneln. In jedem Supraleiter liegen sehr viele Cooperpaare vor. Diese Cooperpaare besetzen einen makroskopischen Quantenzustand mit der Wellenfunktion ψ = const x eiφ ; φ wird dabei als Phase der Wellenfunktion bezeichnet.
Figur 1b zeigt, wie sich diese Vorstellung an einem Josephsonkontakt auswirkt. Bei einem Querschnitt durch die Schichtenfolge sind die supraleitenden Ladungsträger nicht gleichmäßig verteilt. In den beiden supraleitenden Ladungsträger nicht gleichmäßig verteilt. 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 gleich groß sein, muß es aber nicht. In dem gegebenen Supraleiter SL1 hat die Wellenfunktion die Phasenlage φ&sub1;, in dem Supraleiter SL2 hat die Wellenfunktion die Phase φ&sub2;. Wenn der Supraleiter SL2 sehr weit entfernt wäre, so würden in den getrennten Supraleitern die Cooperpaare zwei bestimmte, aber voneinander unabhängige Phasenlagen φ&sub1; und φ&sub2; 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 Beziehung
I = Ic sin γ
γ = φ&sub1; - φ&sub2; (1)
von der Phasendifferenz γ und dem maximal möglichen Supragleichstrom Ic abhängt.
Während sich beim Gleichstrom-Josephsoneffekt die gesamte Struktur trotz der Schwachstelle wie ein einziges supraleitendes Gebiet verhält, kann der Wechselstrom-Josephsoneffekt unter physikalischen Bedingungen beobachtet werden, bei denen eine endliche Potentialdifferenz U am Kontakt abfällt. Wenn der im Kontakt erzwungenen Transportstrom I den maximalen Suprastrom Ic überschreitet, so führt die am Kontakt abfallenden Spannung U zu einer zeitlichen Änderung der Phasendifferenz γ. Nach Josephson gilt hierfür die Beziehung:
γ = ( 2 e / ) x U (2)
e = Elementarladung
= h/2π
h = Planck'sches Wirkungsquantum
Auch dieser Effekt wird als bekannt vorausgesetzt. Bei einem bestimmten Spannungsabfall U nimmt die Phasendifferenz γ kontinuierlich zu. Wegen der sinusförmigen Beziehung (1) schwingt der Josephsonstrom 1 mit einer Frequenz, die folgender Beziehung gehorcht: = (2 e / h) x 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 lügt im Mikrowellenbereich.
Das gängigste Modell zur Beschreibung eines Josephsonkontakts ist das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2. Der Gleichstrom-Josephsoneffekt 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 Spannungsabfall U, der nicht nur die Aufladung einer Kapazität C des Kontakts bewirkt, sondern auch den Suprastrom Ic x sin γ entsprechend Gleichung (2) zum Schwingen bringt. Mit Blick auf den Wechselstrom entspricht der Stromzweig mit dem Kreuzsymbol einer Induktivität, so daß das Wechselstromersatzschaltbild einem gedämpften Schwingkreis ähnelt. Aus dem Ersatzschaltbild läßt sich die folgende Differentialgleichung ableiten, die den externen Gleichstrom I mit dem zeitlich veränderlichen Phasenunterschied γ verknüpft:
I = I(x) + I(R) + I(c)
= Ic sin γ + / (2eR) γ + C / (2e) 3)
Außer der externen Stromquelle kann auch ein externes Mikrowellenfeld auf den Josephsonkontakt einwirken. In diesem Fall wird das Ersatzschaltbild um eine Wechselstromquelle erweitert (Fig. 3). Entsprechend wird die Differentialgleichung um den Term IACsin ω erweitert. Die externe Mikrowellenfrequenz interferiert mit der internen Josephsonstromfrequenz, so daß in der Stromspannungskennlinie des Kontakts Stromsprünge auftreten (Shapiro-Effekt).
Klassische Supraleiter, die typischerweise aus den Metallen Blei, Niob und Zinn bestehen, haben bereits vielfältige Anwendungen gefunden. Hierzu gehört eine geschlossenen supraleitende Schleife mit zwei Josephsonkontakten, die unter dem Namen SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) bekannt geworden ist. Hierbei handelt es sich um das derzeit empfindlichste Gerät zum Nachweis von Magnetfeldern. Beispielsweise werden in der Medizin die schwachen Magnetfelder der Gehirnströme gemessen.
Eine weitere Anwendung ergibt sich aus dem Übergang vom Gleichstrom- Josephsoneffekt zum Wechselstrom-Josephsoneffekt. Bei Überschreiten der kritischen Stromstarke Ic tritt der endliche Spannungsabfall schlagartig in Erscheinung. Das abrupte Auftreten 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 abgestrahlten elektromagnetischen Welle proportional zum Spannungsabfall am Kontakt. Damit lassen sich kontinuierlich durchstimmbare Hochfrequenzsender bauen. Die höchsten erreichbaren Frequenzen reichen bis in den THZ-Bereich.
Eine besonders wichtige Anwendung ist das Josephson-Spannungsnormal. Diese Anwendung basiert auf der Einstrahlung von Hochfrequenzfeldern, also auf dem Wechselstrom-Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3. Beim Betrieb solcher Kontakte treten in der Stromspannungskennlinie 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 enthaltenen Naturkonstanten angegeben werden können. Diese Unsicherheiten 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 des Josephsonkontakts auf der Basis der klassischen Supraleiter aufwendig.
Bei Hochtemperatursupraleitern, die wegen des geringen Kühlungsaufwands attraktiver 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.
Ein theoretisches Konzept, bei dem zwei Ketten von Josephson-Kontakten in einem Interferometer verwendet werden, ist aus der DE-A-3736791 bekannt. Ein oxidischer Supraleiter, insbesondere YBa&sub2;Cu&sub3;Oy, ist mit einer nicht supraleitenden Öffnung versehen. Die supraleitende Umgebung der Öffnung bestimmt eine Josephson-Koppelung kristalliner Schichten in Richtung der kristallographischen c-Achse. Dieser Stand der Technik lehrt, die Anisotropie der kritischen Stromdichte nutzbar zu machen, d.h. die Tatsache zu nutzen, daß der maximale Suprastrom in der kristallographischen c-Richtung wesentlich niedriger ist als der maximale Suprastrom in den kristallographischen a- und b-Richtungen. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Anisotropiefaktor der kritischen Stromdichte nicht der aussschlaggebende Faktor bei der Herstellung intrinsischer kristalliner Josephson-Kontakte ist. YBa&sub2;Cu&sub3;Oy ist ein Supraleiter mit dreidimensionaler Anisotropie, der einen Anisotropiefaktor von nicht mehr als 5 aufweist. Dieser Materialparameter ist weder qualitativ noch quantitativ ausreichend, um intrinsische Josephson- Kontakte auszuführen.
Die Erfindung steht vor der Aufgabe, Josephsonkontakte auf eine Art und Weise herzustellen,die leichter beherrschbar ist als bekannte Strukturierungsverfahren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Josephsonkontakts nach dem Anspruch 1 gelöst.
Der Josephsonkontakt wird in einem Hochtemperatursupraleiter hergestellt, welcher supraleitfähige Schichten und dazwischenliegende weniger leitfähige Schichten aufweist.
Der Hochtemperatursupraleiter bildet nach den folgenden Herstellungsschritten zumindest einen intrinsischen Josephsonkontakt:
1. Ein kleiner Einkristall, dessen Abmessungen parallel zu den supraleitfähigen Schichten oder senkrecht zur kristallographischen c-Achse unterhalb der Eindringtiefe eines externen Magnetfeldes liegen, wird aus der Schmelze eines Hochtemperatursupraleiters gezogen oder epitaktisch auf ein Substrat aufgebracht.
2. Der kleine Einkristall wird zur Beeinflussung der Leitfähigkeit der Zwischenschichten zwischen den supraleitfähigen Schichten in inerter Atmosphäre oder Vakuum, bei kontrolliertem Sauerstoffpartialdruck hergestellt oder nachbehandelt, um zu erreichen, daß der Abstand benachbarter supraleitfähiger Schichten etwa 10 mal so groß ist wie die Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge;
3. An den Grenzflächen, die parallel zu den supraleitfähigen Schichten des Einkristalls liegen, werden gut leitfähige Kontakte aufgedampft.
Ein entsprechendes Produkt, nämlich ein supraleitfähiges Bauelement, das einen Josephsonkontakt in einem monokristallinen Hochtemperatursupraleiter bildet, welcher schichtweise vorliegende supraleitfähige Ebenen und dazwischenliegende weniger leitfähige Schichten aufweist, ist in Anspruch 15 umrissen.
Die Beabstandung, die Dimensionierung und die Anschlußkontaktierung der supraleitfähigen Schichten nach Anspruch 15 stimmt mit den diesbezüglichen Herstellungsmerkmalen nach Anspruch 1 überein. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben. 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 Größenordnungen oberhalb der Leitfähigkeit senkrecht dazu (Leitfähigkeit der c-Achse) liegen. Diese Anisotropie ist in Fig.4 am Beispiel des Hochtemperatursupraleiters Bi&sub2;Sr&sub2;CaCu&sub2;O&sub8;, der eine Sprungtemperatur von beispielsweise 80 bis 90 Kelvin besitzt, dargestellt. Man erkennt Doppelebenen aus Kupferoxid, in denen die Koordinationspolyeder jeweils von Pyramiden gebildet werden. Zwischen den Kupferoxidebenen liegen Schichten mit Wismut-, Strontiumund Calciumatomen.
Für die Erfindung kommen zwei Klassen von Hochtemperatursupraleitern in Frage. Die erste Klasse weist Doppelebenen von Kupferoxid auf, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Jede Doppelebene ist ein supraleitendes Gebiet mit hoher Cooperpaardichte. Die Josephsonkontakte befinden sich jeweils zwischen den Doppelebenen. Beispiele für Hochtemperatursupraleiter dieser Klasse sind:
Tl&sub2; Ba&sub2; Ca Cu&sub2; O&sub8;
Tl&sub2; Ba&sub2; Ca&sub2; Cu&sub3; O&sub1;&sub0;
Tl Ca Ba&sub2; Cu&sub2; O&sub7;
Tl Ca&sub2; Ba&sub2; Cu&sub3; O&sub9;
Ein Beispiel für eine zweite Klasse von Hochtemperatursupraleitern, in denen das Kupferoxid in einfachen Ebenen statt in Doppelebenen vorliegt, ist Tl Ba&sub2; Cu O&sub5;. Die Koordination von Kupfer und Sauerstoff in diesen Ebenen geschieht in Oktaedern. Auch zwischen je zwei solcher Ebenen können mit der erfindungsgemäßen Technik Josephsonkontakte gebildet werden.
Offenbar können Supraleiter mit einer Metall(1)Komponente aus der 4. und 5. Hauptgruppe oder Nebengruppe vorzugsweise verwendet werden.
Bisherige Realisierungen von Josephsonkontakten mit Hochtemperatursupraleitern zielten darauf ab, sich natürliche oder künstlich hergestellte Korngrenzen zunutze zu machen. Die Eigenschaften der Korngrenzen waren im Stand der Technik für die Schwachstelle zwischen zwei supraleitenden Gebieten verantwortlich. Dieser Ansatz erforderte einen erheblichen Aufwand bei der Herstellung des Kontakts. Trotz des hohen Aufwands sind Josephsonkontakte dieser Art schlecht reproduzierbar.
Mit der Erfindung gelingt es durch gezielte Veränderung der Ginzburg- Landau-Kohärenzlänge senkrecht zu den Kupferoxidebenen, zwischen je zwei solcher Ebenen oder Doppelebenen Josephsonkontakte entstehen zu lassen.
Eine Besonderheit der Hochtemperatursupraleiter ist es, daß die Schichtanordnung der Kupferoxidebenen eine periodische Modulation der Cooperpaardichte längs der Richtung senkrecht zu den Schichten (kristallographische c-Achse) bewirkt. Die Erfindung hat erkannt, daß diese Modulation soweit beeinflußbar ist, daß technisch nutzbare Josephsonkontakte entstehen. Steuerparameter für die Modulationstiefe, die sich in Erweiterung 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 Inertatmosphäre oder im Vakuum bei kontrolliertem Sauerstoffpartialdruck und bei Temperaturen bis zu 700 ºC getempert, bis ein Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeiten parallel zu den Kupferoxidebenen zu der Leitfähigkeit senkrecht zu den Ebenen zwischen 10 und ca. 10&sup6; erreicht ist. Die elektrischen Eigenschaften der Kontakte wie Kapazität C und Nebenschlußwiderstand R und kritische Suprastromdichte jc lassen sich so für den gewünschten Anwendungsfall genau einstellen. Es sei jedoch betont, daß der ausschlaggebende Parameter die Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge und nicht die kritische Suprastromdichte ist. Ein erfindungsgemäß hergestellter Einkristall bildet einen Stapel von Josephsonkontakten in atomarer Größenordnung. Weil die Eigenschaften des Stapels auf die Schichtung des Einkristalls zurückzuführen sind, wird die Erfindung als Herstellung intrinsischer Josephsonkontakte charakterisiert. Die Sauerstoffbehandlung läuft im allgemeinen auf eine Verminderung der quantenmechanischen Kopplung zwischen den supraleitenden Ebenen hinaus, kann jedoch bei bestimmten Kristallen auch eine Erhöhung der quantenmechanischen Kopplung bewirken. Daneben ist es zu Erzielung intrinsischer Josephsonkontakte notwendig, daß die Ausdehnung des Einkristalls in Richtung der supraleitfähigen Ebenen eine Grenze nicht überschreitet, die durch die Eindringtiefe 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 Josephsoneffekt überdecken würden.
Ein Ausführungsbeispiel und drei mögliche Anwendungen der Erfindung 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 Josephsonkontakts;
Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Josephsonkontakt bei Anwesenheit eines zusätzlichen externen Mikrowellenfeldes;
Fig. 4 die Schichtstruktur eines für die Erfindung geeigneten keramischen Materials mit Koordinationspolyedern;
Fig. 5 ein schematischer Schnitt senkrecht zu den Ebenen eines Hochtemperatursupraleiters nach der Erfindung;
Fig. 6 ein Modell eines stromgesteuerten Hochfrequenzsenders nach der Erfindung;
Fig. 7 das Prinzip eines Josephsonspamnnungsnormals nach der Erfindung
Fig. 8 das Prinzip einer SQID-Schleife zur Messung schwacher Magnetfelder mit intrinsischen Josephsonkontakten nach der Erfindung.
Um einen Josephsonkontakt mit denjenigen Eigenschaften zu erzeugen, die anhand der Fig. 1 bis 3 aufgezeigt wurden, wird erfindungsgemäß die Schichtstruktur eines keramischen Materials herangezogen. In Fig. 4 ist beispielhaft die Kristallstruktur des Hochtemperatursupraleiters Bi&sub2; Sr&sub2; Ca Cu&sub2; O&sub8; dargestellt. Die Kristallstruktur dieses an sich bekannten Hochtemperatursupraleiters zeichnet sich durch eine Kupferoxid-Doppelebene aus. In der Doppelebene stehen sich die Basisflächen von pyramidenförmigen Koordinationspolyedern gegenüber. Zwischen den Kupferoxiddoppelebenen liegen verhältnismäßig dicke, wenig leitfähige Schichten aus Wismut und Sauerstoff. In der Auswahl eines Supraleiters mit einer Kristallstruktur, wie sie beispielhaft in Fig. 4 dargestellt ist, liegt ein Aspekt der Erfindung.
Die gezielte Veränderung der Leitfähigkeit senkrecht zu den Ebenen 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 Josephsonkontakten benutzt werden. Die Fig. 5 zeigt modellhaft, wie ein solcher Stapel aufgebaut und von einem Suprastrom durchflossen ist. Die Kupferoxid-Doppelebenen bilden in diesem Ausführungsbeispiel die supraleitenden Gebiete, zwischen denen die erzeugten Schwachstellen 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 Ic feststellen, bei deren Überschreitung eine Spannung am Kristall abfällt und Mikrowellenenergie abgestrahlt wird.
Für die Erfindung ist auch wichtig, daß die Breite b des Einkristalls 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 x 30 µm besitzt. Diese Abmessung in horizontaler Richtung ist kleiner als die Eindringtiefe des Magnetfeldes in dieser Richtung, die bei dem gewählten Ausführungsbeispiel ungefähr bei 100 µm liegt.
Die Erfindung läßt sich überall dort anwenden, wo Josephsonkontakte auf der Basis von klassischen Supraleitern bereits Anwendung gefunden haben. In allen Anwendungsfällen ist der Aufwand für die Herstellung der Josephsonkontakte und der Aufwand für die Integration mit anderen Schaltungselementen wesentlich geringer als bisher. Zusätzlich erlaubt die Verwendung von Hochtemperatursupraleitern flüssigen Stickstoff als Kühlmittel. Die Packungsdichte einer Anordnung aus mehreren Josephsonkontakten läßt sich auf atomare Größenordnungen reduzieren.
Die Fig. 6 zeigt - insoweit ähnlich wie Fig. 5 - schematisch den Schnitt durch die Kristallstruktur von Bi&sub2; Sr&sub2; Ca Cu&sub2; O&sub8; senkrecht zu den Kupferoxidebenen. Zusätzlich ist jedem Josephsonkontakt das Modell gemäß Fig. 2 überlagert. Stellt man durch einen eingeprägten Strom 1 einen Spannungsabfall U über dieser Anordnung ein, so gilt für die Frequenz der Mikrowellenstrahlung
f = (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 Josephsonkontakten spielt die Tatsache eine Rolle, daß die Induktivität der hintereinandergeschalteten Parallel-Schwingkreise kein lineares Element ist. Bei dem erfindungsgemäßen Einkristall liegen die Josephsonkontakte so dicht zusammen, daß die Interaktion von Kontakt zu Kontakt über eine interne Rückkopplung stattfindet. Beispielsweise können mehr als N = 50 Josephsonkontakte eine Gruppe bilden, die durch eine feste Phasenbeziehung aufeinander abgestimmt sind. Diese Phasenübereinstimmung macht sich beim Shapiro-Effekt dadurch bemerkbar, daß die Spannungsstufen N mal größer sind als sie es für einen einzelnen Jospephsonkontakt 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 Abstrahlungsleistungen, ein entscheidender Vorteil gegenüber 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 überschreitet die bekannten Packungsdichten um mehrere Größenordnungen.
Der Kristall läßt sich als stromgesteuerter Hochfrequenzsender verwenden. Die Rückkopplungsimpedanz Z symbolisiert die interne Rückkopplung. Bei Serienschaltung diskreter Josephsonkontakte im klassischen Sinne ist an dieser Stelle eine externe Beschaltung zur Erzielung des Einrastvorgangs unvermeidlich. Der X-Band-Bereich umfaßt Frequenzen von 10 bis 12 GHz. Mit dem erfindungsgemäßen Kristall sind jedoch wesentlich höhere Frequenzen zu erzeugen. Durch Variation des Stroms I läßt sich die Frequenz steuern.
Die Umkehrung der Anordnung gemäß Fig. 6 führt zu einem Josephson- Spannungs-Normal (Fig. 7). Der Kristall wird einer Mikrowelleneinstrahlung 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 Spannung 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 realisiert werden als bisher. Fig.8 zeigt zwei erfindungsgemäße Einkristalle. 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 hergestellt 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 passiert.
Eine weitere mögliche Anwendung der Erfindung ist die Herstellung ultraschneller Schalter durch serielle Kopplung intrinsischer Josephsonkontakte.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Josephsonkontakts in einem Hochtemperatursupraleiter, welcher supraleitfähige Schichten und dazwischenliegende weniger leitfähige Schichten aufweist,

wobei der Hochtemperatursupraleiter nach den folgenden Herstellungsschritten zumindest einen intrinsischen Josephsonkontakt bildet:

- ein kleiner Einkristall, dessen Abmessungen parallel zu den supraleitfähigen Schichten oder senkrecht zur kristallographischen c-Achse unterhalb der Eindringtiefe eines externen Magnetfeldes liegen, wird aus der Schmelze eines Hochtemperatursupraleiters gezogen oder epitaktisch auf ein Substrat aufgebracht;

- der kleine Einkristall wird zur Beeinflussung der Leitfähigkeit der Zwischenschichten zwischen den supraleitfähigen Schichten in inerter Atmosphäre oder Vakuum, bei kontrolliertem Sauerstoffpartialdruck hergestellt oder nachbehandelt, um zu erreichen, daß der Abstand benachbarter supraleitfähiger Schichten etwa 10 mal so groß ist wie die Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge;

- an den Grenzflächen, die parallel zu den supraleitfähigen Schichten des Einkristalls liegen, werden gut leitfähige Kontakte aufgedampft.

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

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Supraleiter aus Bi&sub2;Sr&sub2;CaCu&sub2;O&sub8; besteht.

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

(Bi1-xPbx)&sub2; Sr&sub2; Ca Cu&sub2; O&sub8; }

} 0 ≤ x ≤ 0,4

(Bi1-xPbx)&sub2; Sr&sub2; Ca&sub2; Cu&sub3; O&sub1;&sub0; }

Tl&sub2; Ba&sub2; Ca Cu&sub2; O&sub8;

Tl&sub2; Ba&sub2; Ca&sub2; Cu&sub3; O&sub1;&sub0;

Tl Ca Ba&sub2; Cu&sub2; O&sub7;

Tl Ca&sub2; Ba&sub2; Cu&sub3; O&sub9;

ausgewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Supraleiter aus Tl Ba&sub2; Cu O&sub5; oder aus einer anderen Keramik der Klasse mit einfachen Kupferoxidebenen besteht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine Einkristall ein Plättchen oder monokristalline Schicht mit einer Dicke von etwa 100 Å bis 10 µm bildet.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Einkristalls in Richtung der Schichten weniger als 100 µm x 100 µm sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein kleines Einkristallplättchen von etwa 30 µm x 30 µm in Richtung der Schichten.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die inerte Atmosphäre Argon, Heilum oder Stickstoff umfaßt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kontrollierte Sauerstoffpartialdruck zwischen Null und mehreren hundert bar beträgt.

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

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Tempern bei etwa 700ºC 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 Kontaktwiderstande von weniger als 10&supmin;&sup4; Ohm cm².

15. Supraleitfähiges Bauelement,

das einen Josephsonkontakt in einem monokristallinen Hochtemperatursupraleiter bildet, welcher schichtweise vorliegende supraleitfähige Ebenen und dazwischenliegende weniger leitfähige Schichten aufweist, wobei

- der Abstand benachbarter supraleitfähiger Schichten etwa 10mal so groß ist wie die supraleitende Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge in Richtung dieses Abstands, wodurch die supraleitenden und weniger leitenden Schichten mindestens einen intrinsischen Josephsonkontakt bilden;

- der monokristalline Hochtemperatursupraleiter, oder die Schichten dieses supraleitenden Bauelements Abmessungen in Richtung der supraleitenden Ebenen haben, die nicht größer sind als die Eindringtiefe eines externen Magnetfeldes parallel zu den Ebenen; und

- an den Grenzflächen des monokristallinen Hochtemperatursupraleiters parallel zu den supraleitenden Schichten oder Ebenen gut leitende Kontakte gebildet werden.

16. Bauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten aus Kupferoxid gebildet werden.

17. Bauelement nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß seine Dicke ungefähr zwischen 100 Å und 10 µm liegt.

18. Bauelement nach Anspruch 15 bis 17, gekennzeichnet durch Abmessungen in Richtung der Schichten von weniger als 100 µm x 100 µm.

19. Bauelement nach den Ansprüchen 15 bis 18, dadurch gekennzeichet, daß es ein kleines Einkristallplättchen mit ungefähr 30 µm x 30 µm in Richtung der Schichten bildet.

20. Bauelement nach den Ansprüchen 15 bis 19, gekennzeichnet durch Goldkontakte an den Grenzflächen parallel zu den supraleitenden Schichten.

21. Bauelement nach den Ansprüchen 15 bis 20, gekennzeichnet durch Kontaktwiderstände von weniger als 10&supmin;&sup4; Ohm cm².