Andreev tunneling and quasiparticle excitations in mesoscopic normal metal - superconductor structures

Abstract

Mesoscopic physics deals with systems whose size is between everyday macroscopic scale and the microscopic scale of individual atoms. With mesoscopic structures the flow of single electrons can be controlled. This thesis focuses on the control of single electrons with normal metal - superconductor structures. The emphasis is put on understanding the limitations of the control in the so-called SINIS turnstile, which is a device transporting one electron at a time. By repeating the drive with frequency f, the resulting electrical current in ideal operation I = ef could be utilized as the new definition in the SI unit system. Here e is the elementary charge. In the first part of the thesis, we review the physics of tunnel-coupled normal metals and superconductors and present the operation principle of the SINIS turnstile. We then show parallel operation of ten such devices. This allows one to reach larger currents required for high accuracy measurements. In addition we show that the experimental setup needs to be carefully designed in order to avoid spurious effects due to environmentally assisted tunneling. The second part of the thesis focuses on Andreev tunneling. In this process two electrons tunnel at once in form of a Cooper pair. Andreev tunneling leads to transfer errors, when the tunneling of a single electron is preferred. We discuss the experimental detection techniques of Andreev tunneling based on direct current measurements as well as on electron counting. Furthermore, we show experimentally that by having large enough energy cost for charging the structures, achieved by decreasing the size of the system, Andreev tunneling is suppressed and the accuracy of the turnstile improves. The electron counting techniques allows us to study nontrivial statistics of Andreev tunneling. In the last part of the thesis, excitations in a superconductor are considered. At low temperatures, the number of excitations of a superconductor should diminish exponentially. However, excess excitations in form of broken Cooper pairs are typically present limiting the performance of superconducting circuits. We discuss ways of probing the excitations in the normal metal - superconductor based structures. We investigate the diffusion of the quasiparticles and their relaxation to normal metallic traps or due to recombination into Cooper pairs via electron-phonon interaction.

Mesoskooppinen fysiikka käsittelee rakenteita, joiden koko on jokapäiväisen makroskooppisen mittakaavan ja mikroskooppisen atomimittakaavan välillä. Mesoskooppisissa rakenteissa pystytään siirtämään elektroneja hallitusti yksitellen. Tämä väitöskirja keskittyy yksittäisten elektronien siirtoon normaalimetalleissa ja suprajohteissa. Eräs työn tärkeimmistä painopisteistä on ymmärtää niinkutsutun SINIS-kääntöportin toiminnan rajoitukset. SINIS-kääntöportti on laite, jolla pystytään siirtämään elektroneja yksitellen suprajohteelta toiselle. Toistotaajuudella f saadaan näin aikaiseksi sähkövirta I = ef, jossa e on alkeisvaraus. Väitöskirjan ensimmäisessä osassa käsitellään elektronien tunneloitumista normaalimetallin ja suprajohteen välillä ja esitetään SINIS-kääntöportin toimintaperiaate. Käyttämällä kymmentä kääntöporttia rinnakkain saavutetaan riittävä virtataso tarkkuusmittauksiin. Lisäksi näytämme, että näyte pitää suojata hyvin, jotta korkeammista lämpötiloista tuleva säteily ei heikennä laitteen toimintaa. Työn toisessa osassa keskitymme niinkutsuttuun Andreev-tunnelointiin. Kyseisessä prosessissa kaksi elektronia tunneloituu samanaikaisesti muodostaen Cooperin parin suprajohteelle. Andreev-prosessi aiheuttaa virheitä laitteisiin, joiden toiminta perustuu yhden elektronin tunnelointiin. Käsittelemme kokeellisia tekniikoita, joilla Andreev-tunnelointi havaitaan ja lisäksi osoitamme, että tämä prosessi voidaan välttää SINIS-kääntöportissa. Lisäksi tutkimme elektronilaskentaa käyttäen Andreev-tunneloinnin statistisia ominaisuuksia. Väitöskirjan viimeisessä osassa käsitellään suprajohteiden eksitaatioita. Matalassa lämpötilassa eksitaatioiden pitäisi hävitä eksponentiaalisesti. Tyypillisesti näin ei kuitenkaan käy, vaan ylimääräisiä eksitaatioita jää suprajohteeseen hajonneiden Cooperin parien muodossa. Nämä eksitaatiot heikentävät suprajohteiden ominaisuuksia. Esitämme tässä osassa tapoja, joilla eksitaatioita voidaan havaita käyttäen normaalimetallin ja suprajohteen välisiä tunneliliitoksia. Tutkimme eksitaatioden diffuusiota ja relaksaatiota näillä menetelmillä. Tutkituissa rakenteissa relaksaatio aiheutuu tunneloitumisesta normaalimetallisiin osiin tai rekombinoitumisesta Cooperin pareiksi.