Präparation und Charakterisierung von Anordnungen aus ultrakleinen metallischen Tunnelelementen und Erprobung supraleitender Qubits

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.