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Auslesen von Quantendetektoren mittels Mikrowellen

Die Einbeziehung von Quantentechnologien bietet ein großes und einzigartiges Potenzial für die Grundlagenforschung, wie bspw. eine Energieauflösung nahe der Quantengrenze. Untersuchungen zur quantenbegrenzten Mikrowellenauslesung für Axion-Suchexperimente werden derzeit in einer Zusammenarbeit mit dem Ziel der Entwicklung eines breitbandigen kryogenen Mikrowellenverstärkers durchgeführt.

Spannungsfluss-Eigenschaften des neuen breitbandigen Mikrowellen-SQUID-Verstärkers. Die Kurven wurden für Biasströme im Bereich von 50 bis 70 μA in Schritten von 2 µA aufgezeichnet. Die Spannungsfluss-Kennlinien weisen eine asymmetrische Form auf, sprich eine Übertragungsfunktion von mehr als 2 mV/Ф0.

Verstärkungs-/Frequenzdiagramm des Mikrowellenverstärkers auf SQUID-Basis an zwei Arbeitspunkten, die auf der sanften (a) und steilen (b) Flanke der Spannungsfluss-Kennlinie bei einer Biasspannung von ca. 140 µV positioniert sind.

Von  Matthias Schmelz 

Quantentechnologien bieten einzigartige Eigenschaften und beispiellose Empfindlichkeiten. Von daher gewinnen sie aktuell groß an Interesse, z.B. bei der Suche nach exotischer Physik jenseits des Standardmodells. Es wird erwartet, dass sie die Wissenschaft revolutionieren und in den nächsten Jahren zahlreiche Fortschritte machen werden. So ermöglicht beispielsweise das Aufkommen von mikrowellenbasierten Auslesemöglichkeiten für Quantendetektoren nicht nur eine extrem rauscharme oder gar rauschfreie Verstärkung, sondern auch das Multiplexen mehrerer Quantendetektoren in einer einzigen Auslesezeile, was dies zu einer vielseitigen Technologie für zukünftige komplexe kryogene Systeme macht.

In Zusammenarbeit mit dem Team vom Center for Axion and Precision Physics Research des Institute for Basic Science am Korea Advanced Institute of Science and Technology und der deutschen Supracon AG (Jena) entwickelt die Forschergruppe Magnetometrie kryogene Breitband-Mikrowellenverstärker. Sie sind für Experimente zur Dunkelmaterie-QCD-Axion-Suche gedacht, bei denen sehr schwache Mikrowellensignale aus einem extremen Niedertemperatur-High-Q-Resonanzraum mit der höchsten Empfindlichkeit, was der niedrigstmöglichen Rauschtemperatur entspricht, erfasst werden sollen.

Herkömmliche halbleiterbasierte Bauelemente liefern jedoch niedrigste Rauschtemperaturen von etwa 1,1 K – auch bei deutlich niedrigeren Umgebungstemperaturen. Die physikalische Grenze – das Standardquantenlimit (SQL), TSQL = hf/kB– bietet im Vergleich dazu eine deutlich niedrigere Rauschtemperatur von etwa 50 mK bei 1 GHz. Durch den Einsatz von supraleitenden Quanteninterferenzeinheiten (SQUIDs) kann eine Verstärkerrauschtemperatur nahe des Standardquantenlimits erreicht werden. Traditionelle Mikrostreifen-SQUID-Verstärker (MSA), wie sie 1998 eingeführt wurden, werden mittlerweile in Axion-Dunkelmaterie-Experimenten eingesetzt. Basierend auf resonanter Eingangskopplung weisen sie jedoch nur geringe Bandbreiten von 10-100 MHz auf. Um einen weiten Bereich von Mikrowellenfrequenzen abzutasten, ist der nachträgliche Austausch dieser Einheiten in komplexen Messaufbauten nicht geeignet und sehr zeitaufwendig, da große Massen auf Temperaturen von nur wenigen Millikelvin abgekühlt werden müssen. Kryogene Breitbandverstärker würden somit die Effizienz dieser Experimente deutlich erhöhen.

Neu entwickelte SQUID-Stromsensoren wurden als Mikrowellenverstärker im Bereich von 1‑5 GHz getestet. Sie basieren auf der Technologie des Leibniz-IPHT zu Cross-Typ Josephson-Kontakten mit einer sehr geringen Gesamtkapazität, was einen großen nutzbaren Spannungshub von bis zu 250 µV ermöglicht. Die entsprechend stark verbesserte Übertragungsfunktion der Spannungsfluss-Kennlinie VFbestimmt die erreichbare Verstärkung der Einheit (vgl. Abbildung 1). Im Vergleich zu konventionellen MSA sind unsere SQUID-Schleifenabmessungen ziemlich klein, was zu einer niedrigen Gesamtinduktivität der SQUID von 30 pH führt, was die Übertragungsfunktion VFauf bis zu 2 mV/Φ0weiter erhöht. Diese Einheiten weisen zudem eine Gradiometerkonfiguration mit zwei parallel geschalteten Scheiben auf, was sie weniger empfindlich auf Hintergrundmagnetfelder reagieren lässt und somit die Abschirmung der Verstärker deutlich vereinfacht.

Die Einheiten wurden zunächst bei 4,2 K in einem Flüssighelium-Transportkryostaten getestet. Die experimentell bestimmte Verstärkung für zwei verschiedene Arbeitspunkte ist in Abbildung 2 dargestellt. Sie zeigen eine Verstärkung von mehr als +20 dB für einen sehr breiten Frequenzbereich von etwa 0,7 GHz.

Neuere Untersuchungen konzentrieren sich auf die Bestimmung der Rauschtemperatur dieser neuartigen Einheiten sowie auf Simulation und Designverbesserungen, was die Anpassung der Mittenfrequenz für die Verstärkung und wahrscheinlich weitere Bandbreitenerhöhung ermöglicht. Dies wird ihren Weg in die Grundlagenforschung ebnen, wie bspw. für Axion-Suchexperimente sowie für das Auslesen von Qubits und Strahlungssensoren.

Zugehörige Publikationen

A. Matlashov, M. Schmelz, V. Zakosarenko, R. Stolz, Y. K. Semertzidis 2018 Cryogenics 91 125 - 127 – “SQUID amplifiers for axion search experiments”

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