Tieftemperatur- und Quantenphysik
Bei tiefen Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts (ca. -273 °C, 0°K) tritt das thermische Rauschen der Umgebung in den Hintergrund und Quanteneffekte werden messbar. Einer der bekanntesten Effekte ist die Supraleitung - ein Zustand, in dem Materialien ihren elektrischen Widerstand vollständig verlieren und ohne Verluste Strom leiten können. Diese Eigenschaft macht man sich heutzutage bereits für Energienetze oder in starken Elektromagneten zunutze. Während in Hochstromanwendungen meist Temperaturen von einigen zehn Grad Kelvin erreicht werden müssen, eröffnen sich bei Temperaturen von unter 100 Millikelvin weitere Möglichkeiten. Die zu Tage tretende Quantenmechanik kann beispielsweise genutzt werden, um extrem sensitive Sensoren, rauscharme Verstärker und Zweizustandssysteme für Quantencomputer zu realisieren.
Quantencomputing mit supraleitenden Quantenbits
Quantencomputer versprechen komplexe Probleme exponentiell schneller als ihre klassischen Verwandten lösen zu können. Qubits, die elementaren Bausteine eines Quantencomputers, können auf vielfältige Weise hergestellt werden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung supraleitender Schaltkreise. Hier macht man sich die auftretenden Quanteneffekte gezielt zunutze, um Berechnungen zu ermöglichen. Am IPE erforschen wir Hardware und Software die den Nutzern die Interaktion mit diesen Qubits ermöglicht.
Zur Technologie: Controller für Quantencomputing
Metallisch Magnetische Kalorimeter
Bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes, bei wenigen zehn Millikelvin, führen bereits kleinste Energieeinträge von beispielsweise Photonen zu einer signifikanten Erwärmung. Metallisch magnetische Kalorimeter nutzen ein magnetisiertes Material, welches bei einer Erwärmung die Magnetisierung verändert. Mit Hilfe von supraleitenden Interferenz-Magnetometern (SQUIDs) können Änderungen des magnetischen Flusses und somit Energie hoch-präzise gemessen werden. Ein strategisches Ziel des IPEs ist es diese hochgenauen Sensoren zukünftigen Experimenten und industriellen Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Hierzu wird aktuell ein Reinraum für die Fertigung errichtet. Für bereits heute in Kleinserie verfügbare Sensoren entwickeln wir am IPE Ausleselektronik für diese Detektoren.
Zur Technologie: DAQ für supraleitende Sensoren
Quench in Supraleitern
Supraleiter können große Ströme verlustfrei leiten. Bei Überschreitung eines kritischen Grenzstroms oder Erwärmung des Materials geht dieser Effekt jedoch abrupt verloren – man spricht von einem Quench. Die durch den plötzlich vorhandenen Widerstand stark zunehmende Erwärmung des Materials führt dann aufgrund der hohen Stromstärke schnell zur Zerstörung des Leiters. Diese irreversiblen Schäden können nur durch ein schnelles Abschalten des Stromflusses verhindert werden. Das IPE stellt Elektroniken her, die kleinste Änderungen des Widerstands feststellt und eine Reaktion auf den Quench des Leiters ermöglicht.
Zur Technologie: Quench-Detektionssystem