Low temperature primary Coulomb blockade thermometry

Thumbnail Image

Files

master_Muhojoki_Jesse_2019.pdf (11.08 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2019-12-17

Department

Major/Subject

Engineering Physics

Mcode

SCI3056

Degree programme

Master’s Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

45

Series

Abstract

In the light of the revision of the SI-system in May 2019, we aim to improve low temperature primary thermometry by increasing the temperature range of a Coulomb blockade thermometer (CBT) down to low millikelvin range. In this work we fabricate and measure a novel two junction CBT, where the influence of the environment is suppressed with a capacitive shunt. This allows improved thermalization between the substrate phonons and the CBT electrons by fabricating one large cooling fin, insted of smaller ones between multiple junctions that are traditionally required to suppress the coupling to the environment. Furthermore, the island can be cooled by the direct heat flow through the junctions, which becomes relevant at low temperatures in a two junction CBT. The temperature readings from the samples of the first batch deviated considerably from the reference, too much to be explainable with coupling to the environment alone. However the two measured sensors agreed with each other well, despite having order of magnitude difference in tunneling resistance and being measured in different cryostats. To find possible errors in the device, the CBT was measured without the magnetic field keeping the leads in the normal state. These measurements revealed nothing out of the ordinary for a SINIS device. As the reason for the deviation of the temperature remained unclear, a new patch of CBTs were fabricated with a slightly altered geometry, where the distance from bonding pad and the ground-plane capacitor to the junction was shorter. This should not influence the results, as the propagation time in the lead is shorter that the tunneling time in all measured samples and at all temperatures investigated. However, the new sensors did not show any systematic error in the and only deviated from the reference by less than 5 % in the temperature range of 25 - 75 mK. The accuracy was especially good at sub 50 mK temperatures, which is promising for future experiments closer to the target temperatures. This also points to the long distance between the ground plane overlap and junctions being the reason for the increased temperature reading, but further tests are needed to confirm this.

Toukokuussa 2019 SI-järjestelmä uudistui, jonka johdosta pyrimme kehittämään matalan lämpötilan primääristä lämmönmittaamista laskemalla Coulombin saarto -lämpömittarin (Coulomb blockade thermometer, CBT) toimintalämpötilan alarajaa millikelvinin alueelle. Kehitimme ja valmistimme uudentyyppisen kaksiliitoksisen CBT:n, jossa ympäristön vaikutus mittaustarkkuuteen on minimoitu kapasitiivisella rinnakkaiskytkennällä. Vain kahden liitoksen käyttäminen mahdollistaa yhden suuren saaren valmistamisen, joka puolestaan maksimoi kytkennän saaren elektronien ja mitattavan kappaleen fononien välillä. Ensimmäisen erän sensorit näyttivät merkittävästi (20-30 %) suurempaa lämpötilaa kuin vertailulämpömittari. Ero oli suurempi, mikä oli selitettävissä ympäristön vaikutuksella. Molemmat mittaamamme kahden liitoksen sensorit kuitenkin näyttivät lähes samaa lämpötilaa, vaikka tunnelivastuksessa oli kertaluokan ero ja ne mitattiin eri kryostaateissa. Löytääksemme syyn korkeammalle lämpötilalle, sensorien virtakäyrä mitattiin ilman magneettikenttää, jolloin johtimet muuttuivat suprajohtaviksi. Mittaukset eivät kuitenkaan paljastaneet mitään virheitä sensoreista. Myöskään mittauksista tai kryostaateista ei löytynyt selitystä, joten valmistimme uuden erän sensoreita, joissa etäisyys liitosten ja maalevyn välillä oli huomattavasti pienempi. Tällä varmistimme, että liitokset "näkevät" kapasitiiviset liitännät maalevyn ja johtimien välillä. Uudet sensorit mitattiin 25-75 millikelvinin lämpötilassa, jossa edellisen mittauksen systemaattista virhettä ei havaittu. Mittausvirhe pysyi alle viidessä prosentissa koko mittausalueella ja tarkkuus oli erityisen hyvä alle 50 millikelvinin lämpötiloissa, mikä on lupaavaa tulevien mittausten kannalta, jotka suoritetaan lähempänä tavoitelämpötilaa. Tulokset viittaavat liitosten ja maalevyn välisen etäsyyden vaikuttavan tuloksiin, mutta tämän vahvistaminen vaatii uusia mittauksia.

Description

Supervisor

Pekola, Jukka

Thesis advisor

Peltonen, Joonas

Keywords

low temperature, primary thermometry, coulomb blockade, capacitive shunt

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201912226715

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI