Terahertz-Mikroskopie mit supraleitenden Sensoren

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1 Terahertz-Mikroskopie mit supraleitenden Sensoren C. Brendel, F. Stewing, M. Schilling Institut für elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik TU Braunschweig Christian Brendel 25. Juni

2 Das THz-Rastermikroskop Kleinkühler Vakuum-Anlage Messelektronik Steuer-PC Messdaten Motorsteuerung Josephson-Kontakt als Sensor Messobjekt auf Raumtemperatur Josephson- Cantilever und Messobjekt Topografie und Mikrowellenleistung wird gemessen 2

3 Josephson- Elemente SL1 I SL2 Tunneln von Cooper-Paaren 1962 Theoriearbeit von B.D.Josephson: Vorhersage von neuartigen Quanteneffekten an SL-Tunnelkontakten Nobelpreis für B.D.Josephson Strom Spannung DC AC 1. Josephson-Gleichung (DC-Josephson-Effekt) 2. Josephson-Gleichung (AC-Josephson-Effekt) 3

4 Magnetfeldverhalten von Josephson- Elementen Der magnetische Fluß wird aus SL verdrängt: Meißner-Effekt Laserdeposition am emg YBa 2 Cu 3 O 7 epitaktisch aufgewachsen auf: SrTiO 3, LaAlO 3 oder MgO Der kritische Strom hängt empfindlich vom Magnetfeld ab 4

5 Mikrowellenabsorption von Josephson- Elementen Anliegende Gleichspannung erzeugt HF-Wechselstrom: Oszillator Ein Oszillator kann durch eine einfallende Schwingung auf der Grundschwingung oder auf einer Oberschwingung synchronisiert werden. Shapiro-Stufen in der Kennlinie. PHF, ω HF I U Frequenz [THz] U [mv] 2 ohne HF-Einstrahlung mit " ω HF I I [ma] 5

6 Hilbert-Spektroskopie n HF-Einstrahlung monochromatisch: Response proportional zur eingestrahlten Leistung und (I c R n ) 2 -Produkt. n HF-Einstrahlung mit kontinuierlichem Spektrum : Bestimmung des eingestrahlten Spektrums durch Hilbert- Rücktransformation der Response- Funktion. 6

7 Mikrowelleninduzierte Shapiro-Stufen I PHF, ω HF J m (x) = Bessel-Funktion der Ordnung m P HF zunehmend 7

8 Josephson-Cantilever Temperatur: 40K bis 80K auf 0,05K über Stunden konstant. 5µm Piezoelektrischer Kristall schwingt mit 9kHz. Phase wird gemessen. z 50µm Kleinkühler schwingt. x y YBa Cu O auf Cu T=300K LaAlO Bikristall 3 Phasenverschiebung Phase, cc off Spannung, cc off JJ-Spannung (mv) T=54K I=480µA Phasenverschiebung Phase, cc off Spannung, cc off Phase, cc on Spannung, cc on JJ-Spannung (mv) z-position (µm) z-position (µm) 8

9 80,5 GHz Nahfeldmikroskopie Appl. Phys. Lett. 88, (2006) Kupfer- 9kHz Beryllium- z Feder x y Blende Josephson Kontakt d=λ/2 Wellenleiter Wellenleiter Messung der Topografie: AFM-Modus Messung der Mikrowellenleistung y-achse (µm) rel. Höhe (µm) y-achse (µm) Spannung (µv) T=53K z=150 µm x-achse (µm) x-achse (µm) P =50nW max 9

10 98 GHz SiGe-Oszillatoren VCO von Infineon: 80,5 85GHz VCO von Infineon: 95,2 98GHz Oszillator 550 µm Kupfer- Beryllium- Feder Steuerspannung V/GND z x y 85GHz VCO 98GHz VCO gelötet Josephson Cantilever 450 µm VCO Ausgang Aufnahme- Richtung Aufnahmefläche 250 µm Streifenleitung Aluminium PCB mit 150µm Dielektrikum 10

11 98 GHz SiGe-Oszillatoren y-achse (µm) y-achse (µm) Stehende Welle gemessen Materialparameter Simulationsergebnis 80.5GHz 84.8GHz E-Feld E-Feld z=65 µm Spannung (µv) y-achse µm y-achse (µm) Messergebnis 80.5GHz 84.8GHz Spannung (µv) z=65 µm x-achse (µm) x-achse (µm) 11

12 FIR-Laser und THz-Rastermikroskop M2 M1 L2 L1 S1 S0 Piezo- Position Chopper Computer Druck Lasergas Pyroelektrischer Detektor Lasergas Vakuum Wasserkühlung Messelektronik Motorsteuerung Magnetische Abschirmung Wellenleiter FIR Laser einige mw CW CO 2 Laser 10W Power Supply HeNe- Justierlaser Kleinkühler Optischer Tisch 1 Optischer Tisch 2 Diverse Detektoren 12

13 FIR-Laser FIR-Laser N 2 Transmission von 1m Laborluft. Berücksichtigt wird die Absorption von Wasserdampf. (Uni Köln) 1.0 THz-Wellenleiter Relative Transmission Relative Transmission ,0µ 432,6µ ,6µ 393,6µ ,0µ f (GHz) 163,0µ 118,8µ T =

14 Das THz-Rastermikroskop Vakuum- Kammer Josephson- Cantilever Messelektronik THz-Wellenleiter Beispiel: 1 Bild: 800 x 600 Pixel 1 Pixel: 4 x 512 Messwerte 1 Messwert: 2x2 Byte (2 x 16Bit U und I) Datenmenge: 3,93Gbyte 14

15 Zusammenfassung und Ausblick Josephson-Kontakt als Sensor Messobjekt auf Raumtemperatur Annäherung bis auf 1µm möglich (ohne Kleinkühler) Topografie und Mikrowellenleistung Messung von B-Feld und Temperatur möglich Test der neuen Messelektronik Ferninfrarot-Lasersystem erzeugt THz-Signale 15

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