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Über dieses Buch

Das Buch beschreibt elektronische Bauelemente aus Supraleitern in ihrem Aufbau, ihrer physikalischen Wirkungsweise und in technischen Anwendungen. Dabei werden die physikalischen Grundlagen für die gesamte Supraleiter-Elektronik dargestellt und ihre Anwendungen innerhalb der Mikrowellentechnik im Detail erläutert. Ausführlich widmet sich der Autor den SiS-Mischern und Josephson-Gleichspannungsnormalen. Besondere Kapitel geben Hinweise auf Herstellungsverfahren und Materialauswahl sowie auf Tiefsttemperaturtechnik. Das Buch berücksichtigt neueste Erkenntisse über Hochtemperatur-Supraleiter, für deren Entdeckung 1987 der Physik-Nobelpreis verliehen wurde. Supraleiter-Elektronik stellt eine fundierte Einführung für Studenten der Elektrotechnik und Physik dar, eignet sich darüber hinaus aber auch zum Selbststudium für alle, die sich einen Überblick über das Gebiet verschaffen wollen. Ein ausführliches Literaturverzeichnis weist den Weg für vertiefende Lektüre.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einleitung

Zusammenfassung
Die Elektronik ist das Sondergebiet der Elektrotechnik, welches sich mit den Auswirkungen von Ladungsträgerbewegungen im Vakuum, in Gasen und in Festkörpern befaßt und sie in Bauelementen und Schaltungen für praktische Anwendungen nutzbar macht. Der bedeutendste Teil der Elektronik ist die Halbleiterelektronik. Insbesondere mit der Übertragung und Verarbeitung von Daten und Nachrichten durchdringt sie viele unserer Lebensbereiche. Sie basiert auf halbleitenden Materialien, also auf solchen, deren spezifischer Widerstand zwischen denen guter Leiter und guter Isolatoren liegt.
Johann Heyen Hinken

1. Grundlagen der Supraleitung

Zusammenfassung
Bevor wir uns supraleitenden Bauelementen zuwenden, sollen in diesem Kapitel die Grundlagen der Supraleitung behandelt werden. Wir wollen dabei die Beschreibung der physikalischen Phänomene nur so weit vertiefen, wie es zum Verständnis der SIS-Elemente und Josephson-Elemente in Mikrowellenschaltungen nötig ist. Weitergehende Darstellungen finden sich z. B. in [1.1] bis [1.3].
Johann Heyen Hinken

2. SIS-Elemente

Zusammenfassung
Bild 2.1 zeigt eine Sandwich-Struktur mit der Schichtenfolge Supraleiter-Isolator-Supraleiter. Auch bei U # 0V fließt normalerweise kein Strom zwischen den supraleitenden Elektroden. Wenn der Isolator jedoch sehr dünn ist, kann aufgrund quantenmechanischer Tunneleffekte ein Strom zu fließen beginnen. Die Dicke darf dafür höchstens einige Nanometer betragen. Der Tunnelstrom besteht dann im allgemeinen aus zwei Anteilen. Der erste entspringt dem Tunneln von Quasiteilchen und der zweite dem Tunneln von Cooper-Paaren. Dieser zweite Term führt zu den sogenannten Josephson-Effekten, die wir in den Kapiteln 3 und 4 behandeln werden. Hier wollen wir uns zunächst mit dem Tunneln der Quasiteilchen befassen und dabei annehmen, daß der Cooper-Paar-Tunnelstrom durch geeignete Maßnahmen, etwa ein hohes Magnetfeld, unterdrückt ist.
Johann Heyen Hinken

3. Josephson-Elemente

Zusammenfassung
Nicht nur Quasiteilchen können die Isolatorschicht zwischen den beiden supraleitenden Elektroden der SIS-Struktur nach Bild 2.1 durchtunneln, sondern auch Cooper-Paare. Die damit verbundenen Erscheinungen werden Joseph son-Effekte [3.1] und Bauteile, an denen diese Effekte beobachtet und ausgenutzt werden, Josephson-Elemente genannt. Vor allem der Wechselstrom-Josephson-Effekt eignet sich für interessante Anwendungen im Mikrowellenbereich. Die Grundlagen dieser Effekte, soweit in diesem Zusammenhang nötig, wollen wir im Abschnitt 3.1 und typische Eigenschaften von Josephson-Elementen in den Abschnitten 3.2 und 3.3 kennenlernen. Eine erste Anwendung, nämlich als Magnetfelddetektor, folgt in Abschnitt 3.4. Weiterführende Darstellungen findet man in [3.2] bis [3.4]. Mikrowellentechnische Anwendungen werden wir im Kapitel 4 betrachten.
Johann Heyen Hinken

4. Anwendungen von Josephson-Elementen in der Mikrowellentechnik

Zusammenfassung
In diesem Kapitel sollen einige ausgewählte Anwendungsmöglichkeiten von Josephson-Elementen in der Mikrowellentechnik beschrieben werden. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf den Josephson-Spannungsnormalen, weil sie bereits einen festen Platz in der Technik, nämlich in der Präzisionsmeßtechnik, gefunden haben. Josephson-Elemente als Bauteile in Mikrowellenempfangseinrichtungen erscheinen zwar von ihren Möglichkeiten her sehr interessant und sind vielfach auch schon erfolgreich im Labor erprobt, doch werden sie noch nicht regelmäßig verwendet. Sie werden deshalb hier etwas weniger ausführlich behandelt.
Johann Heyen Hinken

5. Materialien und Herstellungsverfahren

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wollen wir verschiedene technologische Aspekte kennenlernen, die bei der Herstellung von SIS- und Josephson-Elementen eine Rolle spielen. Dabei können wir hier nur die Prinzipien ansprechen. Für Details wird auf die angegebene Literatur verwiesen. Wir wollen im Abschnitt 5.1 zunächst Materialien und Herstellungsverfahren für Tunnelelemente mit supraleitenden Elektroden und, damit eng verknüpft, für planare supraleitende Schaltungen überhaupt besprechen. In den weiteren Abschnitten gehen wir dann auf die Besonderheiten bei der Herstellung von Mikrobrücken und Punktkontakten sowie auf Materialien mit hoher Sprungtemperatur ein.
Johann Heyen Hinken

6. Technik tiefer Temperaturen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wollen wir einige grundlegende Aspekte der Tieftemperaturtechnik kennenlernen. Wir wollen zunächst einige Verfahren ansprechen, mit denen man tiefe Temperaturen erzeugen kann. Danach finden wir einige Hinweise zum Umgang mit tiefen Temperaturen und schließlich einige Beispiele für Mikrowellensysteme, die bei tiefen Temperaturen betrieben werden. Mehr Details zur Tieftemperaturtechnik findet man in [6.1] bis [6.5].
Johann Heyen Hinken

Backmatter

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