Josephson regelbare Metamaterialien für Quantenbauelementen

• Antragsteller: Dr. Edward Goldobin
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445247942

Es besteht ein wachsendes Interesse an der Entwicklung von Quanten-Bauelementen (Qubits, Detektoren usw.), die bei niedrigen Temperaturen und bei Frequenzen von mehreren GHz arbeiten. Daher ist der Entwurf von funktionellen Metamaterialien (Filter, Verstärker usw.) sehr relevant, die bei den gleichen Temperaturen und Frequenzen arbeiten und es erlauben, Informationen zu kontrollieren, zu verarbeiten und auszulesen, sowie schwache Quantensignale zu verstärken. Die Supraleitung bringt große Vorteile, wie z. B. niedriger Verlust und kompakte Abmessungen von Metaatomen, während der Josephson-Effekt erlaubt, Metamaterialeigenschaften in situ zu variieren. Im Rahmen dieses Projekts werden wir theoretisch (numerisch) und experimentell Metamaterialien entwerfen, herstellen und untersuchen, die auf Arrays von Metaatomen basieren, z. B. Josephsonkontakte (JK) und SQUIDs, die in eine koplanare Streifenleitung eingebettet sind. Die Tübinger AG wird sich auf die Entwicklung neuer JK-Metamaterialien (JMM) mit neuartigen und steuerbaren Eigenschaften konzentrieren. Im linearen Bereich ist das Ziel, ein JMM mit einer abstimmbaren Dispersion zu entwickeln. Dies ermöglicht z. B. ein JMM, das als abstimmbarer Bandpass- oder Bandsperr-Filterarbeitet oder ein Metamaterial mit verschwindender Gruppengeschwindigkeit, in dem propagierende elektromagnetische Wellen gestoppt werden können. Der Moskauer Hauptfokus ist anwendungsorientiert und besteht in der Entwicklung und dem Test eines JK-basierten Traveling Wave Parametric Amplifiers (JTWPA), der in einem nichtlinearen Regime arbeitet, in dem das Mischen eines zu verstärkenden schwachen Eingangssignals mit einem starken Pumpsignal zu einem verstärkten Signal am Ausgang des JTWPA führt. Es wurde vorhergesagt, dass ein JTWPA aus 300 SQUIDs eine gleichmäßige Verstärkung von 20 dB über eine Bandbreite von ca. 5 GHz haben sollte, bei einer Pumpfrequenz von 12 GHz. Es wird erwartet, dass die Rauschtemperatur einen Wert von 0.2 K bei 5 GHz bei einer Temperatur von 4.2 K erreicht. Im Verlauf des Projekts wird der JTWPA für einen Betrieb bei Temperaturen unter 1 K modifiziert. Die Tübinger AG wird JMMs experimentell mittels der Tieftemperatur-Raster-Elektronen (bzw. Laser)-Mikroskopie (TTREM/TTLRM) untersuchen, einem Alleinstellungsmerkmal der AG. Nach einer Erweiterung wird diese Mikroskopie es erlauben, die Eigenschaften von JMMs wie z. B. dem JTWPA im Betrieb ortsaufgelöst abzubilden und Probleme zu identifizieren, falls diese existieren. Es wird wesentlich sein, zu verstehen, wie die Streuung von den Parametern von (a) eines einzelnen Metaatoms (wichtig für TTREM/TTLRM) oder (b) aller Metaatome den Betrieb und die Leistungsmerkmale der JMM beeinflussen. Die Tübinger AG wird dies durch großskalige nichtlineare numerische Simulationen der JMM-Dynamik untersuchen. Schließlich sollen neuartige JMMs von der Tübinger AG designt, in Moskau hergestellt und von beiden Gruppen experimentell untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Valery P. Koshelets, bis 3/2022