Superconducting Josephson circuits for quantum hybrid systems with mechanical oscillators

Abstract

Mechanische Oszillatoren bieten eine vielversprechende Plattform für die hochempfindliche Detektion von Beschleunigungen und Kräften, sowie für die Erforschung der Quantenphysik in bisher unerforschte Bereiche mit großen Massen und langen Kohärenzzeiten. Das starke Interesse an solchen Systemen erfordert immer bessere Sensitivitäten und Kopplung der Sensoren zur mechanischen Auslese. Eine der vielversprechendsten Möglichkeiten für die Detektion und Kontrolle mechanischer Oszillatoren stellen supraleitende Quantenintereferenz-Schwingkreise dar. Dafür sind allerdings starke externe Magnetfelder nötig, die mit den existierenden supraleitenden Bauelementen nicht kompatibel sind.

Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit Quantensensoren auf Basis Magnetfeld-toleranter Supraleiter entwickelt, die zur Kopplung an mechanischer Oszillatoren dienen. Diese supraleitenden Sensoren basieren auf Strom und Magnet -empfindlichen Mikrowellenresonatoren mit schwach nichlinearen Josephson-Kontakten aus Niob (Nb) und YBa2Cu3O7 (YBCO). Die Herstellung von Josephson-Kontakten aus diesen Materialien hat sich jedoch als herausfordernd erwiesen. Um dieses Problem anzugehen, wurde ein fokussierter Neon-Ionenstrahl zur Herstellung von monolithischen dreidimensionalen Nb-Nanoeinschnürungen verwendet. Im Fall von YBCO werden nahezu ideale SIS-Tunnelkontakte durch Bestrahlung mit einem fokussierten Helium-Ionenstrahl erhalten. Die resultierenden Mikrowellen-Resonatoren aus beiden Materialien wurden auf ihre Mikrowellen Eigenschaften und Responsivität untersucht.