Improving the performance of a single-electron turnstile

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology | Diplomityö
Date
2009
Major/Subject
Optiikka ja molekyylimateriaalit
Mcode
Tfy-125
Degree programme
Language
en
Pages
50
Series
Abstract
The creation of accurate electrical current by transferring electrons sequentially from one island to another with well known frequency has been pursued by many research groups internationally for two decades. It has been demonstrated that currents, with a relative uncertainty in the 10<sup>-8</sup> range, can he produced at picoampere level. However, a comparison against other electrical quantum standards would require a two orders of magnitude higher output current. The consistency check between the quantum standards is crucial for a redefinition to take place in the SI unit system. To date, it has not been possible to increase the current without losing the high accuracy. In this thesis, the performance improvements of the so-called SINIS turnstile are studied. It is a relatively simple device but yet its potential accuracy is high according to a theoretical analysis. The two features have been obtained by combining the useful properties of superconductors and normal metals. The simplicity of the device makes it possible to parallelize these devices as is experimentally demonstrated in this thesis by operating ten devices simultaneously. This yields a current exceeding 100 pA, sufficient for the comparison. Although the theoretical analysis predicts low error rates in the 10<sup>-7</sup> - 10<sup>-8</sup> range for the turnstile, in experiments, the accuracy has been limited to 10<sup>-4</sup> or above due to an unknown leakage process. This leakage can be phenomenological explained by extra states in the superconducting gap which ideally should have no electronic states present. Yet, the true origin of these states is not known. In the second part of this thesis, a study of the leakage is done. The theoretical analysis shows both analytically and numerically that the electromagnetic environment can produce similar features as the phenomenological model. In addition, it is experimentally shown that one can suppress the leakage by an order of magnitude in the turnstiles by screening out the effect of the environment. This is strong evidence that the leakages at this level arise from electromagnetic environment. The main implication of the thesis is that the hybrid turnstile is most likely to succeed in having a higher output current but still retain the high accuracy. As an outcome of this thesis, it can he estimated that in its present form, the turnstile can reach a current of at least 100 pA with a relative accuracy of at least 10<sup>-5</sup>.

Tarkan sähkövirran tuottaminen siirtämällä elektroneja yksitellen alueesta toiseen tunnetulla taajuudella on ollut monen kansainvälisen tutkimusryhmän tavoite kahden vuosikymmenen ajan. On osoitettu, että virtoja, joiden suhteellinen tarkkuus on 10<sup>-8</sup> alueella, voidaan tuottaa pikoampeeritasolla. Vertailumittaus muiden sähkösuureiden kvanttinormaaleihin vaatisi kuitenkin noin sata kertaa korkeampia lähtövirtoja. Kyseisen vertailun antama yhdenmukaisuus on erittäin tärkeää SI-yksikköjärjestelmän uudelleenmäärittelyn kannalta. Tähän mennessä ei ole kuitenkaan ollut mahdollista kasvattaa virtaa menettämättä korkeaa tarkkuutta. Tässä työssä on tutkittu suorituskyvyn parannuksia niin sanotussa SINIS-kääntöportissa. Se on rakenteeltaan yksinkertainen laite, mikä mahdollistaa laitteiden rinnakkaistamisen. Lisäksi teoreettisen analyysin perusteella sillä on mahdollista saavuttaa suuri tarkkuus. Nämä kaksi tarvittavaa piirrettä on saatu yhdistämällä suprajohteiden ja normaalimetallien ominaisuuksia. Tässä työssä on kokeellisesti osoitettu, että kymmentä laitetta voidaan käyttää samanaikaisesti rinnakkain. Näin saadaan virtataso, joka on yli 100 pA ja riittää siten vertailun suorittamiseen. Vaikka teoreettinen analyysi ennustaa suhteellisen virheen olevan tasolla 10<sup>-7</sup> - 10<sup>-8</sup> havaitaan kokeissa 10<sup>-4</sup> tai suurempia suhteellisia virheitä johtuen tuntemattomasta vuotoprosessista. Tämä vuoto voidaan selittää fenomenologisesti suprajohteiden epäideaalisella tilatiheydellä. Ilmiön todelliselle alkuperälle on esitetty monia teorioita. Tämän työn toisessa osiossa tutkitaan tätä vuotoa. Teoreettisen analyysin perusteella nähdään sekä analyyttisesti että numeerisesti, että kyseinen ilmiö voi aiheutua sähkömagneettisesta ympäristöstä. Lisäksi on kokeellisesti osoitettu, että vuotoa voidaan pienentää vähintään tekijällä kymmenen, kun sähkömagneettisen ympäristön vaikutus suodatetaan pois. Tämä viittaa siihen, että kyseisellä tarkkuustasolla vuoto aiheutuu ympäristöstä eikä ole suprajohteen tai itse liitoksen ominaisuus. Tämän työn tärkein tulos on, että SINIS-kääntöportti näyttäisi olevan potentiaalinen laite, jossa korkea tarkkuus ja korkea lähtövirta voidaan yhdistää. Diplomityön tuloksista voidaan arvioida, että nykyisen kaltaisella kääntöportilla päästään vähintään 100 pA:n virtaan 10<sup>-5</sup> suhteellisella tarkkuudella.
Description
Supervisor
Kaivola, Matti
Thesis advisor
Pekola, Jukka
Manninen, Antti
Keywords
quantum current standard, sähkövirran kvanttinormaali, hybrid SINIS turnstile, SINIS kääntöportti
Other note
Citation