Practical shot noise thermometry

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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

2024-03-01

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

31

Series

Abstract

This work contains a practical realization of a cryogenic primary thermometer called the shot noise thermometer (SNT). Its performance is compared to a more common primary thermometer, the Coulomb blockade thermometer (CBT), and its practicality is examined. The SNT determines temperature via measuring current noise in a normal metal tunnel junction. The theory of noise in tunnel junctions is reviewed in detail and verified theoretically in normal metals. Based on these theoretical calculations and experimentation suitable junctions with optimized geometry for shot noise thermometry are designed and fabricated. A measurement setup for operating the SNT ans CBT at cryogenic temperatures is constructed with the component choices discussed in detail. The fabricated SNT is compared to a reference CBT in a temperature range between 50 mK and 500 mK. Comparison of the two thermometers has not been published before. Thus, the theoretical foundations of the SNT are experimentally verified and the accuracy, speed, and practicality of the SNT are evaluated. This work puts the SNT as a viable alternative to the CBT and highlights the difficulties in its operation. The speed and practicality of the SNT are hindered by a lack of research on the topic. Despite this, the SNT does have an advantage in specific aspects such as dynamic range.

Tässä työssä arvioidaan kryogeenistä lämpömittaria, raekohinalämpömittaria (engl. shot noise thermometer, SNT). Työssä SNT:tä verrataan kokeellisesti toiseen tyypilliseen kryogeeniseen lämpömittariin, coulombin saartolämpömittariin (engl. Coulomb blockade thermometer, CBT). Kokeiden perusteella arvioidaan SNT:n suorituskykyä ja käytännöllisyyttä muunmuassa mittaustarkkuuden, -nopeuden ja tarvittavan laitteiston perusteella. SNT määrittää lämpötilaa mittaamalla virtakohinaa normaalimetalli tunneli-liitoksessa. Virtakohinan käytös liitoksessa muuttuu, kun liitoksen yli asetetaan jännite. Kun liitoksen yli ei ole jännitettä, kohina on puhtaasti termistä ja sen voimakkuus riippuu lämpötilasta sekä liitoksen resistanssista. Suuren jännitteen tapauksessa kohina on puolestaan virtariippuvaista raekohinaa. Pienillä jännitteillä virta-kohina käyrä on siten lämpötilariippuvainen, kun kohinan laatu muuttuu ja lämpötila lasketaan sovitteella mitattuun käyrään. Työssä johdetaan nämä toiminnan kannalta keskeisimmät tulokset ja sen perusteella suunnitellaan ja valmistetaan lämpötilan mittaamiseen sopivat liitokset. SNT:n käyttöön tarvittava mittauslaitteisto käsitellään seikkaperäisesti ja valmistettua SNT:tä verrataan CBT:hen lämpötiloilla 50 mK:stä 500 mK:hin. Vertailua tämän tyyppisten lämpömittareiden välillä ei ole julkaistu aikaisemmin. Työssä huomattiin, että instrumenttien tulokset käyttäytyvät lineaarisesti yli 100 mK:n lämpötiloissa ja niiden välille jää noin 10 mK:n ero. Alle 100 mK:n lämpötilassa erot instrumenttien kiinnityksissä vaikuttavat saatuihin lämpötilalukemiin. Lisäksi SNT:n mittausaluetta arvoidaan mittaamalla huomattavasti korkeammassa, yli 4 K:n lämpötilassa. Havaittiin, että SNT vaikuttaa toimivan moitteetta myös näissä lämpötiloissa, mutta tuloksia ei voida varmistaa vertailukelpoisen lämpömittarin puutteen vuoksi. Työn perusteella voidaan sanoa, että SNT on varteenotettava vaihtoehto CBT:lle, mutta sen käyttöön liittyy vielä selviä haasteita. Erityisesti SNT:n mittausnopeus on muita vaihtoehtoja heikompi. Vähäisestä tutkimuksesta huolimatta sillä on tiettyjä etuja, kuten erityisen suuri mittausalue.

Description

Supervisor

Pekola, Jukka

Thesis advisor

Pekola, Jukka

Keywords

primary thermometry, noise thermometry, cryogenics, shot noise

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202403192812

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI