Angewandte Supraleitung 1: von Josephson-Effekten zur RSFQ-Logik
Applied Superconductivity 1: from Josephson Effects to RSFQ Logic

Obwohl das Phänomen Supraleitung immer noch etwas exotisch anmutet, hat es doch mittlerweile eine Vielzahl sehr interessanter und relevanter Anwendungen.Innerhalb dieses Moduls werden sowohl die Grundlagen als auch die gegenwärtigen und zukünftigen Anwendungen der Supraleitung diskutiert, beginnend mit der allgemein als makroskopisches Quantenmodell der Supraleitung bekannten Beschreibung. Zunächst wird dieses Modell verwendet, um Verständnis sowohl für die Josephson Effekte, als auch für die supraleitende Quanteninterferenzeinheit (SQUID) aufzubauen. Letztere realisiert nach gegenwärtigem Stand der Technik die empfindlichste Art eines Magnetfeldsensors und ist somit essenziell für eine Vielzahl an industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen. Zudem hat die Anwendung supraleitender Schaltkreise in der klassischen Elektronik in Form der Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) Logik große Aufmerksamkeit erregt. Die RSFQ Logik steht nach wie vor im Vordergrund moderner Forschungsaktivitäten und hat entscheidenden Einfluss auf viele andere moderne Forschungsgebiete, wie beispielsweise die Quanteninformationsverarbeitung, innerhalb derer RSFQ Schaltungen als potenzielle Schnittstellen zu Quantensystemen eine wichtige Rolle spielen können.

Hinsichtlich der Anwendungen der Supraleitung in der Elektronik und Sensorik wird auf folgende Themen eingegangen:

• makroskopisches Quantenmodell der Supraleitung
• Josephson-Effekte
• Josephson-Kontakte & Supraleitende Quanteninterferenzdetektoren (SQUIDs)
• Josephson-Spannungsstandard
• supraleitende Digitalelektronik

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

• die physikalischen Grundlagen zu den Themengebieten supraleitende Elektronik, supraleitende Sensoren sowie supraleitende Quantenelektronik und Quantenschaltkreise zu beschreiben und anzuwenden.
• das makroskopische Quantenmodell der Supraleitung zu erklären und zur Beschreibung von schwach gekoppelten Supraleitern anzuwenden.
• die Josephson-Effekte zu illustrieren und physikalisch zu interpretieren.
• die grundlegenden Eigenschaften von Josephson-Kontakten und Supraleitende Quanteninterferenzdetektoren (SQUIDs) zu benennen und zu erklären.
• die Funktionsweise des Josephson-Spannungsstandard zu erklären.
• die Grundzüge der supraleitende Digitalelektronik zu beschreiben.

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und dazu begleitende Übungen.

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert (Tafelanschrieb, Beamer-Präsentation). Dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. In wissenschaftlichen Diskussionen werden die Studierenden mit einbezogen um so ihr analytisch-physikalisches Denkvermögen zu fördern.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und (Rechen-)Aufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Vorlesungsskript, Übungsblätter, ergänzende Literatur, PowerPoint-Folien, Filme, Laborführung, etc.

• Vorlesungsskript und Vorlesungsfolien
• R. Gross & A. Marx, Festkörperphysik, de Gruyter, 3. Auflage (2018)
• Tinkham: Introduction to Superconductivity
• K. K. Likharev: Dynamics of Josephson Junctions and Circuits Gordon and Breach Science Publishers, New York (1986)
• T. P. Orlando, K. A. Delin: Foundations of Applied Superconductivity, Addison-Wesley, New York (1991)
• Fossheim, Sudbo: Superconductivity - Physics and Applications
• Buckel, Kleiner: Supraleitung
• de Gennes: Superconductivity of Metals and Alloys
• Claude Cohen-Tannoudji: Quantum Mechanics, Volume I, Wiley-Interscience (2006)

Es findet eine mündliche Prüfung von 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Erklären Sie die Grundlagen des makroskopischen Quantenmodells der Supraleitung
• Diskutieren Sie, wie mit dem makroskopischen Quantenmodell der Supraleitung die Strom-Phasen- und die Energie-Phasen-Beziehung hergeleitet werden können
• Zeigen Sie, wie aus der Strom-Phasen- und die Energie-Phasen-Beziehung die London-Gleichungen und die Fluxoid-Quantisierung abgeleitet werden können
• Wie können wir mit Hilfe des makroskopischen Quantenmodells der Supraleitung die grundlegenden Eigenschaften von schwach gekoppelten Supraleitern herleiten?
• Was sind Josephson-Kontakte und mit welchen Grundgleichungen können sie beschrieben werden?
• Was sind die charakteristischen Längen- und Zeitskalen von Josephson-Kontakten?
• Diskutieren sie die Dynamik von Josephson-Kontakten im Spannungszustand. Mit welchen Gleichungen können wir sie beschreiben?
• Diskutieren Sie das Verhalten von Josephson Kontakten in einem angelegten Magnetfeld und einer angelegten Wechselspannung
• Erklären Sie die physikalischen Grundlagen, die Funktionsweise und mögliche Anwendungen von supraleitenden Quanteninterferometern

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.