Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Bauelement für die verlustarme Hochgeschwindigkeits-Quantenelektronik

27.04.2006


Forschern der TU Ilmenau und der Universität Twente/Niederlande ist es gelungen, mit einem neuartigen technologischen Fertigungsprozess die reproduzierbare Herstellung zahlreicher Josephson-Kontakte auf einem Chip zu ermöglichen.



In der schnellen Einzelflussquantenelektronik (engl. RSFQ) wird die digitale Information in Form eines quantisierten magnetischen Flusses (eine Flussquant = 2.07*10^-15 Vs) innerhalb einer supraleitenden Leiterschleife dargestellt. Das aktive Kernelement dieser Elektronik ist der 1962 von Brain Josephson entdeckte Josephson-Kontakt, welcher durch eine nur wenige Nanometer (2-18nm) dünne Isolationsbarriere ein quantenelektronisches supraleitendes Bauelement bildet. Er arbeitet als eine Art Tor für den gesteuerten Austausch von Flussquanten und damit von binären Informationen zwischen benachbarten Schaltungsbausteinen.



Für die Modellierung dieser Elektronik dient neben der Stromstärke auch die Phasendifferenz der supraleitenden Ladungsträger als beschreibende Zustandsgröße, letztere ist das Analogon zur elektrischen Spannung in der klassischen Elektrotechnik.

Bereits 1985 wurde das Funktionsprinzip der Einzelflussquantenelektronik formu liert und durch geeignete Entwurfswerkzeuge und Herstellungstechnologien bis heute zu einer anwendungsbereiten leistungsarmen Digitalelektronik weiterent wickelt.

Diese Elektronik zeichnet sich besonders durch hohe Taktfrequenzen bei gleichzeitig sehr geringer Verlustleistung aus: Es wurden komplexe Schaltungen bei Frequenzen von 20 GHz erfolgreich betrieben, wobei die dabei umgesetzte Verlustleistung um das 10000-fache geringer ist als in der konventionellen Halbleiterelektronik. Zur Zeit wird ihr der Rang einer CMOS-Nachfolgeelektronik für spezielle Anwendungen eingeräumt, in denen extrem hohe Schaltfrequenzen bei gleichzeitig sehr geringem Leistungsumsatz notwendig sind.

Im Jahr 1993 wurde dazu erstmals ein neuer Josephson-Kontakt mit einer intrinsischen PI-Phasenverschiebung vorgestellt und experimentell demonstriert. Dieser PI-Josephson- Kontakt ist ein komplementäres Bauelement zu dem klassischen Josephson-Kontakt (ähnlich der p- und n-leitenden Transistoren).

An der Universität Twente/Niederlande wurde ein neuartiger technologischer Fertigungsprozess entwickelt, der durch eine Kombination von einem Hochtemperatursupraleiter (YBCO), einer 15nm dünnen, trennenden Goldbarriere
und einem Tieftemperatursupraleiter (Nb) die reproduzierbare Herstellung zahlreicher Josephson-Kontakte auf einem Chip ermöglicht.

In enger Zusammenarbeit der RSFQ Design-Forschungsgruppe der TU Ilmenau(Prof. F.H. Uhlmann, Dr. T.Ortlepp, O. Mielke) mit der Forschungsgruppe an der Universität Twente/Niederlande (Prof. H. Hilgenkamp) konnten die theoretischen Vorhersagen zur Anwendung aktiver PI-Kontakte weltweit erstmals im Herbst 2004 demonstriert und erste Vorhersagen für die Anwendung dieser Kontakte in der Einzelflussquantenelektronik getroffen werden: Schaltungskonzept, Entwurf und Optimierung wurden an der TU Ilmenau entwickelt und durchgeführt, die Chip-Herstellung erfolgte an der Universität Twente/ Holland.

Bei den anschließenden gemeinsam durchgeführten Messungen konnte die quantengenaue digitale Funktion der Schaltung experimentell nachgewiesen werden.

Im Rahmen der Exzellenzförderung der TU Ilmenau war es möglich, diese Arbeiten für ein Jahr durchzuführen und jetzt erfolgversprechende Ergebnisse zur Funktion digitaler Schaltungskomponenten hierfür abzuleiten. Die Verwendung von PI-Josephson-Kontakten ermöglicht erstmals einen symmetrischen Schaltungsaufbau mit einer deutlich höheren Funktionsstabilität. Man kann aus diesem Grund davon ausgehen, dass diese nun wesentlich erweiterte Einzelflussquantenelektronik auch für die Anforderungen der Kommunikationstechnik sowie industrieller Anwendungen bereit ist.

Diese Forschungsergebnisse wurden von der amerikanischen Zeitschrift "Science Magazin" zur Veröffentlichung angenommen und als ein ausgewähltes wissen schaftliches Highlight auf Weltniveau am 20. April 2006 bereits vor der Druck legung in "Science Express" online veröffentlicht.

Veröffentlichung dazu:

Science Magazine, online in Sciencexpress am 20. April 2006:
"Flip-Flopping Fractional Flux Quanta",
Thomas Ortlepp 1*, Ariando Ariando 2, O. Mielke 1, C. J. M. Verwijs 2,
K. F. K. Foo 2, H. Rogalla 2, F. H. Uhlmann 1, H. Hilgenkamp 2

1 Institute of Information Technology, RSFQ Design Group, Technische Universität
Ilmenau, Post Office Box 100565, D-98684 Ilmenau, Germany.
2 Faculty of Science and Technology and MESA+ Institute for
Nanotechnology, University of Twente,
Post Office Box 217,7500 AE Enschede, Netherlands.

Für weitere Informationen, Fragen und evtl. Bilder wenden Sie sich bitte an

Dr. Thomas Ortlepp
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Institut für Informationstechnik/FG TET/EMF
TU Ilmenau
98684 Ilmenau
Tel. 03677/691185
thomas.ortlepp@tu-ilmenau.de

Wilfried Nax M.A. | idw
Weitere Informationen:
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1126041
http://www4.tu-ilmenau.de/EI/ATE/kryo/

Weitere Berichte zu: Einzelflussquantenelektronik Elektronik RSFQ

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht So fließt Energie im Nanobereich
18.10.2019 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht Neu entdeckte Materialeigenschaft verspricht Innovationsschub in der Mikroelektronik
17.10.2019 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungen

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers

18.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp

18.10.2019 | Physik Astronomie

Innovative Datenanalyse von Fraunhofer Austria

18.10.2019 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics