Im Jahr 1962 wurde von Brian Josephson ein Cooper-Paar Tunneleffekt theoretisch vorausgesagt, der zu einem spannungslosen Stromtransport über eine isolierende Barriere zwischen zwei Supraleitern führt. Der Suprastrom wird vom Phasengradienten der supraleitenden Wellenfunktion getrieben, welcher über der Tunnelbarriere entsteht. Für die Strom-Phasen-Relation (SPR) dieser schwach koppelnden Cooper-Paar Tunnelkontakte sagte Josephson ein sinusförmiges Verhalten voraus.
Ein Josephson Kontakt kann auch durch eine normalleitende Barriere realisiert werden. Bei Supraleiter/Normalleiter/Supraleiter (SNS) Kontakten ist der Suprastrom über die Schwachstelle jedoch nicht einem Tunneln von Cooper-Paaren
zuzuschreiben, sondern dem Proximity-Effekt.
Der mikroskopische Mechanismus, der zum Proximity-Effekt und damit zu einem Suprastromtransport über die normalleitende Schwachstelle führt, ist die sogenannte Andreev-Reflektion. Dieser Prozeß konvertiert ein Cooper-Paar, welches in den Normalleiter eindringt, in ein korreliertes Elektron-Loch Paar. Bleibt die Korrelation dieser Elektron-Loch Paare genügend lange erhalten, können kohärente multiple Andreev-Reflektionen (MAR) im Kontakt auftreten. Diese MAR-Prozesse führen in mesoskopischen SNS-Kontakten, bei sehr tiefen Temperaturen, zu höher harmonischen Beiträgen in der SPR, so daß kein sinusförmiges Verhalten mehr vorliegt.
Um die Auswirkungen der MAR-Prozesse auf die SPR in diffusiven SNS-Kontakten experimentell zu charakterisieren, wird eine geeignete Meßmethode benötigt, da in den üblichen Experimenten, die sich mit dem elektrischen Transport befassen, keine Aussage über die Form der SPR gemacht werden kann. Ziel dieser Arbeit ist es eine Meßmethode, basierend auf Mikro-Hall-Sensoren zu entwickeln, um die SPR in mesoskopischen SNS-Kontakten experimentell zu charakterisieren.
Die SNS-Kontakte werden dazu in supraleitende Ringe eingebaut, die mittels Schattenverdampfungstechnik auf die 10 µm große aktive Fläche der Hall-Sensoren strukturiert werden. Die Hall-Sensoren werden aus einer GaAs/AlGaAs Heterostruktur gefertigt, welche 200 nm unter der Oberfläche ein zweidimensionales Elektronengas ausbildet. Die Phasendifferenz der Kontakte kann dann durch einen externen magnetischen Fluß im Ring kontrolliert werden. Als Antwort auf die eingestellte Phasendifferenz durch den externen Fluß erzeugt das Josephson-Element im Ring einen zirkulierenden Strom, der seinerseits einen Fluß erzeugt. Durch Detektion dieses Flusses mit Hilfe des Hall-Sensors kann die Strom-Phasen-Beziehung gemessen werden.
In vorliegender Arbeit werden die Systeme AlAu, AlAg, AlCu und NbAg untersucht. Im Hochtemperatur Regime des Josephson-Effekts findet sich im Einklang mit der Theorie eine sinusförmige Strom-Phasen-Relation. Bei Temperaturen kleiner 1 K sind höher harmonische Komponenten in der SPR enthalten. Diese werden durch die großen kritischen Ströme der untersuchten Kontakte bei tiefen Temperaturen in Kombination mit einer inhomogenen Ortsauflösung der Hall-Sensoren hervorgerufen und überlagern die möglicherweise vorhandenen intrinsischen Beiträge höherer Ordnung. Letztendlich war es nicht möglich im Rahmen der Meßgenauigkeit einen eindeutigen Beweis für die intrinsischen höheren Harmonischen zu finden, welche durch die MAR-Prozesse hervorgerufen werden.
Durch Verringerung des maximalen kritischen Stroms der SNS Kontakte, könnte der Einfluß der inhomogenen örtlichen Auflösung der Sensoren soweit minimiert werden, daß es möglich wäre die intrinsischen höheren Harmonischen eindeutig zu detektieren. Dies könnte durch eine Verkleinerung der geometrischen Abmessungen des Normalmetalls erreicht werden, um den Normalwiderstand zu erhöhen
