Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Technologie für die Herstellung hochqualitativer sub-µm Nb/Al-AlOx/Nb-Josephson-Kontakte. Mit den dadurch entstandenen Bauteilen wurden verschiedene experimentell zuvor noch nicht beobachtete makroskopische Quanteneffekte nachgewiesen. Weiterhin wurden Nb-basierte Phasen-Qubits entworfen, hergestellt und gemessen, die längere Kohärenzzeiten als vergleichbare Bauelemente aus der Literatur aufweisen.
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Technologie für die Herstellung hochqualitativer sub-µm Nb/Al-AlOx/Nb-Josephson-Kontakte. Mit den dadurch entstandenen Bauteilen wurden verschiedene experimentell zuvor noch nicht beobachtete makroskopische Quanteneffekte nachgewiesen. Weiterhin wurden Nb-basierte Phasen-Qubits entworfen, hergestellt und gemessen, die längere Kohärenzzeiten als vergleichbare Bauelemente aus der Literatur aufweisen.
In dieser Arbeit wurden zwei experimentelle Techniken zum Studium der Dynamik atomarer Tunnelsysteme in ungeordneten AlOₓ-Schichten angewandt. Einzelne Tunnelsysteme konnten dabei im etwa 2 nm dünnen AlOₓ des Josephson-Kontaktes eines supraleitenden Qubits charakterisiert werden. Die Zustandsdichte der Tunnelsysteme wurde im 26 nm dünnen AlOₓ der Plattenkondensatoren, integriert in supraleitende planare Hochfrequenz-Resonatoren, studiert. Die Beschreibung einzelner mikroskopischer Tunnelsysteme anhand des Standard-Tunnelmodells erfolgt zunächst analog zum Modell der ZweiniveauSysteme, wie makroskopische Qubits oder Spins im Magnetfeld. Tunnelsysteme können dabei sowohl an elektrische, als auch an mechanische Felder koppeln und ihre Relaxationsprozesse können dabei durch die Wechselwirkung mit Phononen, den TS untereinander und überraschenderweise auch durch Quasiteilchen des Al bestimmt werden. Die Dynamik inkohärenter Fluktuatoren, die auf Zeitskalen von Stunden bis Millisekunden zwischen ihren beiden lokalisierten Zuständen wechseln, wurden mit einem gekoppelten Detektorsystem aus einem supraleitenden Qubit und einem kohärenten TS genauer betrachtet. Der Fluktuator beeinflusst das kohärente Tunnelsystem durch eine lokale mechanische Deformation, sodass die Resonanz des Tunnelsystems entsprechend des lokalisierten Zustandes des Fluktuators zwischen zwei diskreten Resonanzen wechseln kann. Aus dem Telegrafenrauschen der Resonanz des kohärenten Tunnelsystems, in Abhängigkeit der Zeit, kann die Energieaufspaltung des Fluktuators über das Verhältnis der beiden mittleren Aufenthaltszeiten in den lokalisierten Zuständen bestimmt werden. Sehr schnelle Fluktuationsraten, bei denen mit dem Messprotokoll des Qubits beide Resonanzen des Tunnelsystems „parallel“ gemessen werden, können anhand einer speziellen statistischen Analyse der Abfolge der einzelnen Messungen des Qubit-Zustandes bestimmt werden. Die Zustandsdichte von TS in AlOₓ wurde durch supraleitende planare Hochfrequenz-Resonatoren mit Resonanzen von 0,6-6 GHz untersucht. Eine Diskussion der komplexen dielektrischen Suszeptibilität erfolgte dabei zunächst analog zum Modell der Zweiniveau-Systeme. Der Verlust der Resonatoren, welcher durch den Imaginärteil der Suszeptibilität beschrieben wird, ist durch die große Feldstärke im Dielektrikum der Plattenkondensatoren durch das AlOₓ dominiert. Trotz der homogenen Feldverteilung im AlOₓ erscheint die Leistungsabhängigkeit der resonanten Absorption stärker als das Modell vorschlägt. Berücksichtigt man die nichtlineare Absorption der Tunnelsysteme, wird klar, dass die Auswertung der Resonanzkurven anhand idealer Lorentzkurven nicht korrekt ist. Bei jeder Frequenz der Resonanzkurve wird die Besetzungszahldifferenz der Tunnelsysteme mit der Leistung, die dort auf den Resonator übertragen wird, reduziert. Trägt man nur die Änderung der Amplitude genau bei der Resonanzfrequenz über der Anregungsleistung auf, folgt die erwartete Leistungsabhängigkeit des Modells der Zweiniveau-Systeme. Die Temperaturabhängigkeit der kritischen Intensität der resonanten Absorption ist außerdem ein Zugang zu den Relaxationsprozessen der Tunnelsysteme, da sie propotional zur Relaxationsrate und der Linienbreite der TS ist. Bei tiefen Temperaturen dominiert die Ein-Phonon-Relaxation. Die Linienbreite wird wiederum durch zwei Prozesse beeinflusst: Zum einen wird sie von der Ein-Phonon-Relaxation begrenzt und zum anderen mit steigender Temperatur durch eine temperaturabhängige, reine Dephasierung aufgrund der spektralen Diffusion dominiert. Direkte Messungen der Temperaturabhängigkeit der Relaxationsraten einzelner TS mit dem Phasen-Qubit von J. Lisenfeld haben dies ebenfalls bestätigt. Eine breitbandige Bestimmung der effektiven Dichte der TS erfolgt durch die Messung der temperaturabhängigen Frequenzverschiebung der Resonatoren, die durch den Realteil der Suszeptibilität beschrieben wird. Die daraus bestimmte effektive Zustandsdichte der TS wirft noch Fragen auf, da sie für die Messfrequenzen von 0,6-6 GHz von 2·10⁻² bis 3·10⁻³ ansteigt und nicht konstant ist, wie das Modell vorschlägt. Außerdem ist sie 2-3 mal größer als die effektive Dichte ermittelt aus der resonanten Absorption. Letzteres wurde bereits bei Messungen dielektrischer Gläser beobachtet. Numerische Berechnungen der dielektrischen Antwort erlauben den Vergleich des Modells der Zweiniveau-Systeme mit der Verteilungsfunktion des Standard-Tunnelmodells. Für die betrachteten resonanten Wechselwirkungen mit den Tunnelsystemen sind beide Modelle nahezu deckungsgleich. Dies bestätigt, dass symmetrische Tunnelsysteme diesen Prozess dominieren. Berücksichtigt man außerdem die gemessene Temperaturabhängigkeit der Linienbreite, ergibt diese eine Begrenzung der resonanten Wechselwirkungen bei hohen Temperaturen. Eine weitere Variation des Modells wurde mit einer modifizierten energieabhängigen Dichte der TS, als Ansatzt zur Beschreibung der experimentell bestimmten Variation der effektiven Dichte der TS gezeigt. Abschließend wird deutlich, dass die ungeordneten AlOₓ-Schichten ebenso wie makroskopische Gläser Defekte enthalten, deren Dichte im Josephson-Kontakt etwa 1,6·10¹⁷ pro K·cm³ beträgt, welche etwas kleiner als in den Plattenkondensatoren mit 8·10¹⁷ TS pro K·cm³ ist. Unklar ist bisher immer noch der Entstehungsprozess der Tunnelsysteme, wo sie sich tatsächlich befinden, und ob man die Stärke der Wechselwirkungen von Tunnelsystemen mit ihrer Umgebung durch verschiedene Herstellungsprozesse einstellen kann. In diesem Zusammenhang gibt es bereits Messungen, bei denen sowohl Struktur und Stöchiometrie mittels Transmissionselektronenmikroskopie, als auch dielektrische Messungen der AlOₓ Schichten durchgeführt werden. Ein Ansatz zur gezielten Manipulation der bereits betrachteten Tunnelsysteme sind Kreuzexperimente mit hochfrequentem Ultraschall, sowohl bei der Detektion einzelner Tunnelsysteme mit dem Qubit, als auch bei der Messung der Zustandsdichte von Tunnelsystemen mit den Resonatoren.
0-κ-Josephsonkontakte sind faszinierende Bauelemente deren experimentelle Realisierung und Untersuchung in den letzten Jahren erst möglich wurde. Diese Arbeit gliedert sich in die Messung des makroskopischen Quantentunnelns der Josephsonphase in einem 0-κ-Kontakt und die Energielevelspektroskopie an solchen Kontakten. Der 0-κ-Josephsonkontakt wird dabei durch einen „gewöhnlichen“ Nb-AlOx-Nb-Kontakt mit einem Strominjektorpaar realisiert. Durch Anlegen eines Injektorstromes lässt sich eine Phasendiskontinuität κ = π einstellen. Dadurch wird das System in einen entarteten Grundzustand gebracht, in dem zwei kritische Ströme Ic± gemessen werden können. Diese beiden kritischen Ströme sind charakteristisch für einen nicht allzu langen 0-κ-Kontakt, dessen räumlich gemittelte Phase zwei Grundzustandswerte ±φ in einem effektiven Doppelmuldenpotenzial annehmen kann. Durch Variieren des Injektorstromes in einem kleinen Bereich um dieses Minimum κ = π ± ε, lässt sich der Abstand der Werte der beiden kritischen Ströme Ic± beliebig einstellen. Für diese beiden kritischen Ströme kann nun der Escapeprozess sowohl im thermischen als auch im quantenmechanischen Regime untersucht werden. Dieser Escapeprozess kann im Bild des Teilchens im gekippten Waschbrettpotenzials beschrieben werden. Das Waschbrettpotenzial wird dabei durch Anlegen eines Biasstromes solange verkippt, bis die Barriere klein genug ist, dass das Teilchen aufgrund thermischer oder quantenmechanischer Fluktuationen über oder durch die Barriere entkommen kann. Die dafür benötigte Energie wird im Falle eines thermischen Escapeprozesses als Aktivierungsenergie bezeichnet und kann mittels Messung der Schaltwahrscheinlichkeit des Kontaktes statistisch bestimmt und mit theoretischen Modellen in verschiedenen Dämpfungsregimes beschrieben werden. Weiterhin wurden Messungen der Temperaturabhängigkeit der Aktivierungsenergie durchgeführt. Unterhalb der Crossover-Temperatur T* vom thermischen ins quantenmechanische Regime, bei diesen Kontakten ist T* ≈ 175mK, wird der Escapeprozess vom makroskopischen Quantentunneln dominiert. Dies spiegelt sich in einer Sättigung der Verteilungsbreite der Schaltstatistikhistogramme wieder und ist ein erster Hinweis auf das Erreichen des quantenmechanischen Regimes. Es wurden weitere Messungen zur Abhängigkeit der Verteilungsbreite vom angelegten Injektorstrom durchgeführt und somit weitere Belege für das makroskopische Quantentunneln gesammelt. Jedoch konnten diese Messungen noch nicht mit den derzeit vorliegenden, theoretischen Vorhersagen in Einklang gebracht werden. Neben den Messungen zum makroskopischen Quantentunneln wurden Spektroskopiemessungen der Energieniveaus, die sich innerhalb der Potenzialmulde ausbilden, durchgeführt. Zunächst wurde die Plasmafrequenz der untersuchten Kontakte experimentell bestimmt und nach parasitären Resonanzen gesucht. Anschließend wurden die Messungen zur Energielevelspektroskopie durchgeführt. In diesen Messungen traten interessante Strukturen auf, die Hinweise für die Anregung der Phase in höhere Energieniveaus innerhalb des Potenzialminimums sind. Da die auftretenden Strukturen weder mit klassischen Simulationen, noch mit dem Auftreten von Störresonanzen erklärbar sind, deutet vieles darauf hin, dass der Escape der Josephsonphase aus dem Grundzustand und höheren, angeregten Zuständen mittels spektroskopischen Untersuchungen nachgewiesen wurde. Deshalb ist ein Vergleich mit quantenmechanischen Simulationen nötig, welcher bisher, aufgrund der fehlenden quantenmechanischen Berechnungen, noch nicht durchgeführt werden konnte. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente geben erste, klare Hinweise auf das quantenmechanische Verhalten von 0-κ-Josephsonkontakten, konnten jedoch bisher noch nicht mit den theoretischen Modellen zufriedenstellend beschrieben werden. Diese Arbeit konnte dennoch eine Grundlage für weitere Untersuchungen des quantenmechanischen Verhaltens von 0-κ-Josephsonkontakten schaffen.
Die Erforschung der Dynamik der Elektronen in kleinen metallischen Strukturen ist nicht nur mit dem Ziel der Miniaturisierung von Bauelementen und der damit möglichen Erhöhung von Integrationsdichte und Schaltfrequenzen verbunden. Von besonderem Interesse sind die neuen physikalischen Effekte, die durch verminderte Dimensionalität oder kleine Volumina in Erscheinung treten. Es zeigt sich, daß die aus dem Umgang mit sehr kleinen Objekten (Elementarteilchen, Atome, Moleküle) vertrauten Gesetze der Quantenmechanik eine wesentliche Rolle bei der Beschreibung der neuen Systeme spielen. Als Ergebnis wurden Möglichkeiten entwickelt, künstliche quantenmechanische Zwei-Niveau-Systeme auf Festkörperbasis makroskopisch zu realisieren. Solche quantum bits (Qubits) dienen als Grundbausteine eines künftigen Quantencomputers. Zur Untersuchung von Quanteneffekten in Anordnungen aus ultrakleinen metallischen Tunnelelementen wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Meßplatz für Experimente bei sehr tiefen Temperaturen (wenige Millikelvin) aufgebaut. Dann wurden zwei neuartige Strukturierungsmethoden (SAIL-Methode, Präparation von Nanokreuzungen) zur Herstellung von ultrakleinen Tunnelkontakten als Alternative zur allgemein üblichen Schattenbedampfungstechnik erprobt. An Strukturen mit Nanokreuzungen wurden Einzelelektronen-Effekte reproduzierbar demonstriert. Das für den Nachweis von Quanteneffekten notwendige Cooperpaar-Tunneln wurde jedoch nicht beobachtet. An Strukturen, die mit der etablierten Schattenbedampfungstechnik hergestellt wurden, konnten Quanteneffekte gemessen werden. Mit Hilfe einer Impedanzmeßmethode wurde an sog. Ladungs-Qubits die Existenz von Zwei Niveau-Systemen spektroskopisch bestätigt. Weitere Meßdaten lassen sich als Landau-Zener-Übergänge zwischen den Niveaus interpretieren.
Eine den lokalen Realismus widerlegende schlupflochfreie Verletzung einer Bell-Ungleichung wurde bisher nicht erreicht. Eine Verletzung der Eberhard-Ungleichung mit nicht maximal verschränkten Zuständen ermöglicht das Schließen des Detektionsschlupflochs mit einer Detektionseffizienz von 2/3. In dieser Arbeit wurden Photonenpaare in nicht maximal verschränkten Zuständen mit Lawinenphotodioden und hocheffizienten supraleitenden Phasenübergangsthermistoren, sogenannten “transition-edge sensors” (TESs), für ihre Verwendung in einem endgültigen, auf der Eberhard-Ungleichung basierten Bell-Experiment untersucht. Polarisationsverschränkte Photonenpaare wurden in einer Sagnac-Quelle in nicht maximal verschränkten Zuständen hergestellt. Für jeden der erzeugten Zustände wurde aus Messungen mit Lawinenphotodioden eine Dichtematrix rekonstruiert. Eine durchschnittliche Reinheit von 99,26(2) Prozent und eine durchschnittliche Güte für einen idealen, nicht maximal verschränkten Zustand von 99,01(1) Prozent wurden aus diesen Dichtematrizen berechnet. Ein hocheffizientes Detektionssystem basierend auf supraleitenden Phasenübergangsthermistoren, die von supraleitenden Quanteninterferometern ausgelesen werden, wurde in einem adiabatischen Entmagnetisierungskryostat installiert. Eine beispiellos hohe Ankündigungseffizienz von 82,2(3) Prozent für einen Produktzustand und 79,7(2) Prozent für einen verschränkten Zustand wurde direkt beobachtet. Die Eberhard-Ungleichung wurde mit supraleitenden Phasenübergangsthermistoren gemessen, jedoch waren die Ergebnisse noch nicht ausreichend für eine Verletzung. Weitere Verbesserungen des Aufbaus sind erforderlich. Diese Arbeit demonstriert die Schlüsselkomponenten, die für die Verletzung der Eberhard-Ungleichung benötigt werden: ein hocheffizientes Detektionssystem einschließlich des Einkoppelns in Fasern und eine Quelle hochreiner, nicht maximal verschränkter Zustände. Zusammen mit einem Quantenzufallsgenerator und zusätzlicher räumlicher Trennung ebnet diese Arbeit den Weg für ein endgültiges, schlupflochfreies Bell-Experiment, das nicht nur als grundsätzliche Fragestellung wichtig ist, sondern auch für Anwendungen wie geräteunabhängige Quantenschlüsselverteilung und die Zertifizierung von geräteunabhängiger Zufälligkeit.