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Supraleitende bildgebende Magnetometrie mit einer Energieauflösung am Quantenlimit

Für die Charakterisierung kleinster magnetisierter Objekte bis hin zu Einzel-Spin-Systemen bedarf es Sensorik mit höchster räumlicher sowie magnetischer Auflösung. Hierfür werden in der Forschergruppe Magnetometrie supraleitende Sensoren mit Energieauflösungen am Quantenlimit entwickelt. Diese ermöglichen die Detektion kleinster Signale z.B. für die magnetische Charakterisierung auf Nanometer-Skala.

Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines entwickelten Sensors

Spektrale Empfindlichkeit sowie daraus berechneten Energieauflösung eines Sensors

Von Matthias Schmelz // Vyacheslav Zakosarenko // Thomas Schönau // Solveig Anders // Sven Linzen // Ronny Stolz // Hans-Georg Meyer

Die Physik auf der Nanometer-Skala ist ein aktuelles Forschungsfeld auch im Hinblick auf die Quantentechnologien, da die quantenmechanischen Effekte, wie z.B. Interferenz von Materie-Wellen, Kohärenz von Elektronen, Effekte einzelner Elementarladungen in elektronischen Bauteilen usw. sich in diesem Längenbereich ausprägen. Insbesondere die magnetische Charakterisierung auf Nanometer-Skala und die zugehörige Bildgebung stellen ein besonders leistungsfähiges Werkzeug bei der Erforschung biologischer, chemischer und physikalischer Systeme dar und ermöglichen bisher nicht erreichbare Applikationen wie die strukturelle Bildgebung von Einzelmolekülen.

In der Forschergruppe Magnetometrie des Leibniz-IPHT werden in diesem Kontext quantenphysikalische Phänomene erforscht, um höchstempfindliche Messtechnik für die verschiedenen Anwendungsfelder zu entwickeln. Die notwendige magnetische Auflösung wird mit Hilfe supraleitender Quantensensoren ermöglicht, die bei einer geringen Arbeitstemperatur von wenigen Kelvin die Erfassung kleinster Signale mit Energieauflösungen am Quantenlimit erlauben.

Die entwickelten supraleitenden Quanteninterferenz-Detektoren bestehen aus einem supraleitenden Ring mit Nanometer-Dimensionen, welcher durch zwei sogenannte Josephson-Tunnelkontakte unterbrochen wird. Ändert sich der magnetische Fluss im Ring, z.B. durch ein lokales magnetisches Moment eines zum Ring gekoppelten, nahegelegenen Spin-Systems, kann dies mit einer sich periodisch ändernden Spannung über dem Bauteil detektiert werden. Die Periode entspricht dabei dem magnetischen Flussquant Φ0=h/2e, wobei h das Planck’sche Wirkungsquant und e die Elementarladung darstellt. Die Dimensionen des Rings bestimmen neben der erreichbaren Empfindlichkeit vor allem die räumliche Auflösung des Detektors.

Für die Herstellung der Sensoren wurde eine in enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Mikro- und Nanotechnologien der Forschungsabteilung Quantendetektion am Leibniz-IPHT entwickelte Dünnschichttechnologie verwendet. Hierbei kommen z.B. supraleitende Schichten aus Niob und Schichtstapel aus Niob/Aluminiumoxid/Niob für die Josephson-Kontakte zum Einsatz. Abbildung 1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines entwickelten Sensors. Die Flächen der Josephson-Kontakte sind schraffiert umrandet. Es konnten so Ring-Größen bis in den sub-Mikrometer Bereich realisiert werden.

Die bei einer Arbeitstemperatur von etwa 4K im flüssigen Helium charakterisierten Sensoren weisen gegenüber dem internationalen Entwicklungsstand deutlich gesteigerte Spannungs-modulationen auf. Dies vereinfacht deren Auslese signifikant und drückt sich insbesondere in einer deutlich verbesserten magnetischen Empfindlichkeit aus. Die Verwendung der oben beschriebenen Josephson-Tunnelkontakte erlaubt dabei Energieauflösungen nahe dem Quantenlimit. Abbildung 2 zeigt die spektrale Empfindlichkeit eines solchen Sensors in Einheiten des magnetischen Flussquants Φ0sowie in der daraus berechneten Energieauflösung. Die entwickelten Quantensensoren erlauben somit die Verbindung von guter räumlicher Auflösung mit höchster Energieauflösung.

Zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet werden sich vorwiegend mit der weiteren Verringerung der Ring-Dimensionen beschäftigen, um die lokale Magnetfeldempfindlichkeit noch weiter zu steigern. Zudem erlaubt die Fabrikationstechnologie im Vergleich zu anderen Arbeiten eine sehr hohe Integrationsdichte der Sensoren bis hin zu großskaligen Sensorarrays, die z.B. magnetische Mikroskopie mit Empfindlichkeiten nahe dem Quantenlimit ermöglichen.

Zugehörige Publikation

M. Schmelz et al. (2017) “Nearly quantum limited nanoSQUIDs based on cross-type Nb/AlOx/Nb junctions”, Superconductor Science and Technology 30, 014001, doi: 10.1088/0953-2048/30/1/014001.

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