Single-electron pumping in silicon quantum dots
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2016-06-10
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
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
67 + app. 56
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 103/2016
Abstract
The present definition of the ampere in the International System of Units is based on Ampere's law. This classical definition requires a large and impractical set-up that is vulnerable to uncertainties of other units such as mass. There has been great global interest in redefining the ampere such that it would be based on a fixed value for the elementary charge. This quantum standard can potentially be realized by single-electron current sources that output a fixed integer number of electrons at a precise frequency. To date, single-charge pumps based on semiconductor quantum dots have exhibited the lowest uncertainties at relatively high currents. In this thesis, we study a silicon quantum dot that is driven with radio frequency waveforms to implement quantized single-electron pumping. We find that our pump has potential in current metrology in terms of the accuracy and yield. In this mainly experimental thesis, we discuss also the pump architecture, fabrication techniques, and experimental methods. We study the electrical confinement of the pump dot and confirm that it can be used to increase the charging energy and the energy of the first excited state. We utilize this confinement to increase the pumping accuracy. Furthermore, we demonstrate an electron counting scheme in our device architecture and show that it is consistent with the direct output current of the pump. We also introduce full three-waveform radio frequency control and utilize it to demonstrate bidirectional pumping with convenient reversal of the output current. Previously, this has been challenging in semiconductor pumps due to the asymmetries in the devices and operation protocols. In addition, we study non-equilibrium fluctuation relations in a hybrid superconductor--normal-metal single-electron box. We confirm that the Jarzynski equality and the Crooks fluctuation theorem both are followed by the studied system. These are the first experimental studies of the fluctuation relations in single-electron devices. The device architecture and methods presented in this thesis provide an important contribution towards the quantum ampere. We conclude that silicon quantum dots have great potential in realizing the emerging quantum ampere.Ampeerin määritelmä kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä perustuu Amperen lakiin. Määritelmän toteutukseen tarvittava laitteisto on iso, epäkäytännöllinen ja lisäksi haavoittuvainen johtuen muiden suureiden kuten massan epätarkkuuksista. Ampeerin määritelmän sitomista alkeisvarauksen kiinnitettyyn arvoon onkin viety eteenpäin maailmanlaajuisesti. Tällaisen määritelmän toteutus voi perustua yksielektronivirtalähteisiin, jotka siirtävät vakiomäärän elektroneja läpi tietyllä taajuudella. Tällaisella virtalähteellä voitaisiin sulkea niin sanottu kvanttimetrologinen kolmio, joka yhdistää Josephson- ja kvantti-Hall-ilmiön sekä yhden elektronin kuljetusilmiön toisiinsa. Tällä hetkellä puolijohde-kvanttipisteet ovat tuottaneet tarkimmat pumpatun virran arvot suurilla taajuuksilla. Tässä väitöskirjassa tutkitaan piihin perustuvia kvanttipisteitä, joita ajetaan radiotaajudella tuottamaan kvantisoitunutta virtaa. Tämän elektronipumpun tuottaman virran määrä ja tarkkuus ovat lupaavia metrologisiin käyttökohteisiin. Tässä pääasiallisesti kokeellisessa väitöskirjassa esitellään myös näytteen rakenne, valmistusprosessit ja kokeelliset järjestelyt. Työssä tutkitaan sähköisen saarron vaikutusta elektronipumppuun ja todetaan, että sitä voidaan käyttää kvanttipisteen varautumisenergian ja virittyneen tilan energian kasvattamiseen. Tätä ominaisuutta hyödynnetään tarkentamaan pumpun tuottamaa virtaa. Laitteella suoritetaan elektronilaskentaa, jonka havaitaan täsmäävän laitteen tuottaman tasavirran kanssa. Työssä esitellään, kuinka kvanttipisteeseen kohdistettua kolmea aaltomuotoa hyväksikäyttämällä voidaan suorittaa kaksisuuntaista elektronipumppausta yksinkertaisella suunnanvaihto-operaatiolla. Aiemmin tämä on ollut haastavaa puolijohdekvanttipisteissä laitteiden ja protokollien epäsymmetrisyyden vuoksi. Edellisen lisäksi työssä tutkitaan epätasapainofluktuaatiorelaatioita yksielektronilaitteessa. Jarzynskin yhtälön ja Crooksin fluktuaatioteoreeman havaitaan olevan sopusoinnussa kokeellisten tulosten kanssa. Näitä relaatioita ei ole aiemmin tutkittu kokeellisesti yksielektronilaitteissa. Työssä esitetyt laitteiden rakenteet ja kokeelliset menetelmät ovat tärkeä askel kohti uutta kvanttiampeeria. Piikvanttipisteiden päätellään olevan hyvä vaihtoehto kvanttiampeerin toteuttamiseksi.Description
Supervising professor
Kaivola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Möttönen, Mikko, Doc., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandKeywords
nanoelectronics, quantum dot, single-electron pump, silicon, electrical current standard, metrology, electron counting, Nanoelektroniikka, kvanttipiste, yksielektronipumppu, pii, sähkövirtastandardi, metrologia, elektronilaskenta
Other note
Parts
-
[Publication 1]: A. Rossi, T. Tanttu, K. Y. Tan, I. Iisakka, R. Zhao, K. Chan, G. Tettamanzi, S. Rogge, A. Dzurak, and M. Möttönen. An accurate singleelectron pump based on a highly tunable silicon quantum dot. Nano Letters, 14, 6, 3405–3411 (7 pages), May 2014.
DOI: 10.1021/nl500927q View at publisher
-
[Publication 2]: A. Rossi, T. Tanttu, F. E. Hudson, Y. Sun, M. Möttönen, and A. Dzurak. Silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots for single-electron pumping. The Journal of Visualized Experiments, 100, e52852 (11 pages), article video available at http://www.jove.com/video/52852/silicon-metaloxide-semiconductor-quantum-dots-for-single-electron, May 2015.
DOI: 10.3791/52852 View at publisher
-
[Publication 3]: T. Tanttu, A. Rossi, K. Y. Tan, K.-E. Huhtinen, K. W. Chan, M. Möttönen, and A. Dzurak. Electron counting in a silicon single-electron pump. New Journal of Physics, 17, 10, 103030 (6 pages), September 2015.
DOI: 10.1088/1367-2630/17/10/103030 View at publisher
- [Publication 4]: T. Tanttu, A. Rossi, K. Y. Tan, A. Mäkinen, K. W. Chan, M. Möttönen, and A. Dzurak. Three-waveform pumping of single electrons with a silicon quantum dot. Submitted to Scientific Reports, arXiv:1603.01225 (9 pages), March 2016.
-
[Publication 5]: O.-P. Saira, Y. Yoon, T. Tanttu, M. Möttönen, D. V. Averin, and J. P. Pekola. Test of the Jarzynski and Crooks fluctuation relations in an electronic system. Physical Review Letters, 109, 18, 180601 (5 pages), October 2012.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.180601 View at publisher