Adelaide: Schleifen ohne Josephson-Kontakte machen SQUID-Arrays zu Absolutmagnetometern

Eine Studie in Physical Review Applied zeigt, dass kontaktfreie supraleitende Schleifen die variierenden Schleifengrößen von SQIF-Sensoren nachbilden und die Fertigung vereinfachen.

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Forschende der Adelaide University in Südaustralien stellen einen einfacheren Weg vor, Arrays aus supraleitenden Quanteninterferenzeinheiten (SQUIDs) zu bauen, die absolute Magnetfelder messen können, ohne die Empfindlichkeit einzubüßen, die sie so attraktiv macht. Die Arbeit der Doktoranden Ross Monaghan und Jonathan Marenkovic sowie von Associate Professor Giuseppe Tettamanzi von der Quantum and Nano Technology Group (QuaNTeG) der Universität wurde am 26. Oktober in Physical Review Applied veröffentlicht (Band 26, Artikel 044077); der Volltext ist auch auf arXiv verfügbar.

Das Problem

SQUIDs sind Schleifen aus supraleitendem Material, die von Josephson-Kontakten unterbrochen werden, und gehören zu den empfindlichsten Magnetfelddetektoren überhaupt. Kombiniert man viele SQUID-Schleifen zu einem zweidimensionalen Array, entstehen sehr leistungsfähige Hochfrequenzsensoren. Der Haken ist laut Universität, dass diese Bauelemente Schwierigkeiten haben zu erkennen, wann ein Magnetfeld exakt null ist.

Die übliche Lösung, eingesetzt in supraleitenden Quanteninterferenzfiltern (SQIFs), besteht darin, die Schleifenflächen bewusst ungleich zu gestalten, damit das Array als Absolutmagnetometer arbeiten kann. Laut der Studie kollidiert diese Anforderung mit der Optimierung jeder einzelnen Schleife: Ändert man die Größe einer Schleife, ändern sich auch ihre Induktivität und ein zentraler Designparameter, der für gute Leistung genau kontrolliert werden muss. Dieser Kompromiss hindert solche Arrays daran, ihr volles Potenzial auszuschöpfen, das die Autoren als nur durch das Standardquantenlimit begrenzt beschreiben. Die Mitteilung der Universität weist darauf hin, dass bestehende Designs Hunderte oder sogar Tausende unterschiedlich großer Schleifen benötigen können.

Die technischen Details

Das Team in Adelaide behielt für alle Schleifen dieselbe Größe bei und ersetzte stattdessen ausgewählte Schleifen durch „nackte“ supraleitende Abschnitte ohne Josephson-Kontakte. Diese nackten Schleifen verändern, wie sich der magnetische Fluss im Schaltkreis verteilt, sodass sich das Array verhält, als hätten seine Schleifen unterschiedliche Flächen. Die Autoren nennen dies eine „synthetische Flächenstreuung“ und leiten eine analytische Formel her, die die Anordnung der nackten Schleifen mit der äquivalenten Streuung physischer Flächen verknüpft.

Anschließend fertigten sie mehrere zweidimensionale SQIF-Arrays mit nackten Schleifen und betrieben sie bei sehr tiefen Temperaturen. Die gemessenen Bauelemente verhielten sich laut den Forschenden im Einklang mit der Theorie.

„Durch sorgfältig platzierte nackte Schleifen erreichen wir dasselbe Ergebnis und bewahren zugleich die Bedingungen, die für maximale Empfindlichkeit nötig sind“, sagte Tettamanzi.

Warum das wichtig ist

Wenn gleichförmige Schleifen ausreichen, müssten Hersteller keine großen Arrays mit vielen verschiedenen Schleifengeometrien mehr fertigen – was die Bauelemente laut Universität einfacher und günstiger in der Herstellung machen könnte. Als mögliche Anwendungen nennt die Universität Hirnüberwachung, empfindlichere Hochfrequenzempfänger, rauscharme Kommunikation und elektromagnetische Sensorik.

Worauf zu achten ist

Laut Universität sind weitere Tests nötig, bevor die Technologie kommerzialisiert werden kann. Das Konzept ist Gegenstand einer internationalen Patentanmeldung, und Folgestudien zur Verbesserung der Bauelementleistung und zu neuen Anwendungen laufen bereits. The Quantum Insider veröffentlichte die Mitteilung der Universität am 2. November.