Electronic cooling of suspended metallic nanowires

Abstract

Nanoelectromechanical systems (NEMS) have received a lot of attention in recent years, both in scientific literature as well as in electronics industry. In the scientific community much effort has gone recently to cooling of nanomechanical resonators, i.e. beams or cantilevers with dimensions in the nanometer scale, after it was appreciated that it should be possible to cool down the mechanical modes of these structures all the way to their quantum ground state. This would open a wealth of possible NEMS experiments as well as be a fundamental test about the limits of quantum mechanics.

In this thesis I report the fabrication process and measurements of a superconductor-insulator-normal metal-insulator-superconductor (SINIS) structure where the normal metal part is a suspended nanowire that can be considered to function also as a nanomechanical resonator. A well known property of a SINIS structure is that when a proper bias voltage is applied across it, the normal metal electrons will cool down. Experimental data about the refrigeration at sub-kelvin temperatures is presented and it is found that the heat flux between the electron system and the cryostat bath is modified from the normal bulk case, implying reduced dimensionality of the phonon system and the possibility to cool down also the mechanical modes with this kind of structure.

Nanoelektromekaaniset rakenteet (engl. NEMS) ovat saaneet paljon huomiota osakseen viime aikoina sekä tieteellisessä kirjallisuudessa että teollisuuden parissa. Tiedemaailmassa huomio on kiinnittynyt varsinkin nanomekaanisten resonaattorien, eli nanokokoisten riippuvien palkkien, jäähdyttämiseen, sillä näiden rakenteiden mekaaniset värähtelytilat saattaisi olla mahdollista jäähdyttää niiden kvanttimekaaniseen perustilaan. Tämä olisi perustavaa laatua oleva testi kvanttimekaniikan syvimmästä luonteesta, ja avaisi ovet monille mahdollisille NEMS kokeille.

Tässä diplomityössä valmistin ja mittasin suprajohde-eriste-metalli-eriste-suprajohde (engl. SINIS) -rakenteen, jossa normaalitilainen metalliosa on samalla vapaana riippuva nanolanka, jonka voidaan ajatella toimivan myös nanoresonaattorina. SINIS-rakenteiden hyvin tunnettu ominaisuus on, että kun niiden yli luodaan sopivan suuruinen jännite, normaalitilaisen metallin elektronisysteemi jäähtyy. Esitän kokeellista dataa tästä jäähtymisestä alle 1 kelvinin lämpötiloissa, josta voidaan tulkita että elektronisysteemin ja kryostaatin luoman lämpökylvyn välinen kytkentä on muuttunut verrattuna ei riippuvaan tapaukseen. Tämä johtunee langan fononisysteemin muuttumisesta yksiulotteiseksi, ja merkitsee myös että tällaisella rakenteella saattaisi olla mahdollista jäähdyttää resonaattorin mekaanisia värähtelytiloja.