Measuring temperature relaxation on a small proximized normal metal island with an RF-NIS thermometer

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2014

Department

Major/Subject

Fysiikka

Mcode

Tfy-3

Degree programme

Language

en

Pages

70 s.

Series

Abstract

In this work we have used a radiofrequency normal metal-insulator-superconductor (RF-NIS) thermometer for energy relaxation measurements. The highly temperature dependent differential resistance of a NIS-tunnel junction makes the device a promising tool for sensitive temperature measurements. We are probing the NIS-junction with RF-drive at 600 MHz. This type of a fast thermometer can be used, for instance, for studying fluctuation relations, temperature fluctuations, relaxation, and for single photon detection. We have fabricated and measured SNIS-samples, where a small copper island is proximized with thick superconducting aluminum lead. The measurements are performed in a He3-He4 dilution refrigerator under temperatures between 25 mK and 1 K. The properties of our transmission type RF-NIS thermometer are characterized and the device is used for relaxation measurements. The obtained calibration between the transmittance of the resonator and the differential resistance of the ~IS-junction follows the theoretical estimate derived for the resonator. The quality factor and bandwidth of the resonator are in agreement with the theory. The measured bandwidth suggests that the time resolution of the resonator is shorter than I microsecond. For the relaxation measurements, the proximized normal metal is driven to a non-equilibrium temperature by driving a current pulse across the island. This causes the proximized metal to switch from the superconducting state to the normal state and the metal is heated with Joule power. The relaxation is measured under different bath temperatures and bias voltages. At small biases, the relaxation time exceeds 1 ms. This is several times longer than the estimated relaxation time corresponding to the electron-phonon coupling. This long time scale might be affected by a voltage relaxation due to the RC time of the DC cables and the differential resistance of the junction. For probing the temperature relaxation, the measurement configuration can be improved by replacing the DC-lines used for the heating and adding a cold voltage divider to the sample stage. The sensitivity of the measurement can be improved by decreasing the noise level of the system with a better RF-amplifier and by tuning the parameters of the resonator.

Normaali metalli-eriste-suprajohde-tunneliliitoksen (NIS-liitos) differentiaalinen resistanssi riippuu voimakkaasti rakenteen normaalimetalli-saarekkeen lämpötilasta, minkä vuoksi liitos soveltuu herkäksi lämpötila-anturiksi mataliin lämpötiloihin. Mittaamalla NIS-liitosta radiotaajuuksilla (RF), voidaan detektoria käyttää esimerkiksi relaksaatio-mittauksiin, fluktuaatiorelaatioiden tutkimiseen sekä kalorimetrisena fotonidetektorina, riittävän signaalikohina-suhteen omaavaa laitetta jopa yksittäisten fotonien havaitsemiseen. Tässä työssä käytetään transmissiotyyppistä RF-NIS-lämpömittaria mittaamaan energiarelaksaatiota kuparisella metalli-saarekkeella. Olemme valmistaneet ja mitanneet SNIS näytteitä, missä kaksi paksua suprajohtavaa alumiinilankaa on kiinnitetty pieneen kuparisaarekkeeseen. Suprajohtavan läheisilmiön vaikutuksesta kuparilla on siten myös suprajohteille tyypillisiä ominaisuuksia. Mittaukset on tehty 3He-4He laimennusjäähdyttimessä 25 mK ja 1 K lämpötilavälillä. Olemme määrittänet RF-NIS lämpömittarimme hyvyysluvun, kaistanleveyden ja kalibraation mitatun transmittanssin ja näytteen differentiaalisen resistanssin välillä. Mitatut arvot sopivat hyvin yhteen teoreettisten arvioiden kanssa ja ennustavat resonaattorille alle mikrosekunnin aikaresoluutiota. Relaksaatiomittausta varten N metallisaarekkeen muodostaman heikon liitoksen yli ajetaan sähkövirtapulssi. Tämän vaikutuksesta metalli muuttuu suprajohteesta normaaliseksi ja lämpenee. Mittaukset on suoritettu eri kylvyn lämpötiloissa ja useilla bias-jännitteen arvoilla. Pienellä jännitteellä relaksaatiokäyrälle määritettiin yli millisekunnin aikavakio, mikä on selkeästi hitaampi, kuin elektroni-fononi-kytkennästä aiheutuva relaksaatio. On mahdollista, että mitattu relaksaatio sisältää myös jännite-relaksaatio-komponentin. Käytetyn mittauskytkennän aikaresoluution parantamiseksi voidaan näytteen lämmitykseen käytetyt DC-mittauslinjat korvata RF-linjoilla ja siirtää biasointiin käytetty jännitteenjako näytealustalle. Lämpömittarin sensitiivisyyttä voidaan parantaa alentamalla systeemin kohinaa ottamalla käyttöön uusi RF-vahvistin ja muuttamalla käytetyn resonaattorin parametreja.

Description

Supervisor

Pekola, Jukka

Thesis advisor

Gasparinetti, Simone

Keywords

NIS-liitos, RF-NIS-lämpömittari, NIS-junction, RF-NIS thermometer

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201507013651

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI