Development of a fully superconducting Bloch oscillating transistor
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology |
Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2009
Major/Subject
Materiaalifysiikka
Mcode
Tfy-44
Degree programme
Teknillisen fysiikan ja matematiikan tutkinto-ohjelma
Language
en
Pages
59
Series
Abstract
Mesoscopic Josephson junctions are the basis of the Bloch oscillating transistor (BOT). It is a mesoscopic three-terminal amplifier that converts a current of single electrons into a notably larger supercurrent of Cooper pairs. It consists of three tunnel junctions, one is normal metal - insulator - superconductor (NIS) junction in the base terminal, and the other two are Josephson junctions in a SQUID-like structure in the emitter terminal. The collector terminal is formed by a thin-film chromium resistor. The implementation of BOT is carried out by electron beam lithography. We have changed the base NIS junction to a superconductor - insulator - superconductor (SIS) junction to simplify the evaporation process. One application of BOT is modern quantum metrology where amplification of small currents is required. This application also sets a demand for the input noise of BOT, 1 fA/pHz at 1 Hz. The IV characteristics of BOT can be modelled by means of P(E)-theory, and we simulated the two samples presented in this work. In the experimental IV characteristics, we discovered a new feature, a two-step peak, whereas P(E)-theory only gives one peak. We believe the second peak is related to supercurrent passing through the emitter and base Josephson junctions. In the experiments, the highest current gain was found to be 33 reached in the limit of hysteretic behaviour, which could create instability problems in applications. At the operation point, the noise of BOT was 1/f2-type. The lowest input referred current noise was 3 fA/pHz at 95 Hz, which predicts more than ten times higher noise than the maximum allowed 1 fA/pHz at 1 Hz. The noise temperature was 0.26 K at 95 Hz. The SIS base BOT did not meet the requirements of metrology, which makes the NIS base BOT still the better candidate.Bloch-oskilloivan transistorin (BOT) toiminta perustuu mesoskooppisiin Josephsonin liitoksiin. BOT on mesoskooppinen vahvistin, jolla on kolme terminaalia ja joka muuntaa yksittäisten elektronien virran huomattavasti suuremmaksi Cooperin panen kuljettamaksi supravirraksi. BOT koostuu kolmesta tunnelirajapintaliitoksesta, joista yksi on metalli - eriste - suprajohde (NIS) -liitos kantaterminaalissa ja kaksi Josephsonin liitosta SQUID:n kaltaisessa rakenteessa emitteriterminaalissa. Kollektoriterminaalin muodostaa ohutkalvokromivastus. B0T valmistetaan elekronisuihkulitografian keinoin. Tässä työssä kannan liitos vaihdettiin suprajohde - eriste - suprajohde (SIS) -liitokseksi höyrystämisprosessin yksinkertaistamiseksi. Eräs laitteen käyttömahdollisuuksista on moderni kvanttimetrologia, jossa tarvitaan pienten virtojen vahvistusta. Tämä sovellus asettaa myös vaatimuksen BOT:n sisäänmenoon referoidulle virtakohinalle: 1 fA / sqrt(Hz) 1 Hz:n taajuudella. BOT:n IV-käyriä voidaan mallintaa P(E)-teorian avulla, ja tässä työssä käsiteltäviä kahta näytettä myös simuloitiin. Kokeellisissa IV-käyrissä havaittiin uusi piirre, kaksiportainen piikki, kun taas P(E)-teoria ennustaa vain yhden piikin. Toisen näistä piikeistä voi aiheuttaa supravirran kulkeminen emitterin ja kannan Josephsonin liitosten läpi. Suurin mitattu virtavahvistus oli 33, joka saavutettiin hystereettisen käytöksen rajalla, mikä voi aiheuttaa epävakaisuusongelmia sovelluksissa. Toimintapisteessä laitteen kohina oli 1/f2-tyyppistä. Matalin sisäänmenoon referoitu kohinataso oli 3 fA / sqrt(Hz), mikä tarkoittaa enemmän kuin kymmentä kertaa suurempaa kohinaa 1 Hz:n taajuudella kuin suurin sallittu 1 fA / sqrt(Hz). Kohinalämpötila oli 0.26 K 95 Hz:n taajuudella. SIS-kantainen BOT ei täyttänyt metrologian vaatimuksia, minkä vuoksi NIS-kantainen BOT on yhä parempi vaihtoehto.Description
Supervisor
Nieminen, RistoThesis advisor
Hakonen, PerttiKeywords
mesoscopic physics, mesoskooppinen fysiikka, Josephson junction, Josephsonin liitos, Bloch oscillations, Blosh-oskillaatiot, Coulomb blockade, Coulombian saareke, P(E)-theory, P(E)-teoria, gain, vahvistus, BOT, BOT, SIS, SIS, NIS, NIS