Electrostatic control of quasiparticle transport in superconducting hybrid nanostructures

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-03-28
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
107 + app. 88
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 48/2013
Abstract
A flow of electric current in a metal is the result of the collective motion of mobile conduction electrons within a relatively static background formed by ionized atoms. An electric current of 1 ampere used in everyday appliances corresponds to a flow rate of about 6*1018 electrons per second. In this thesis, I have studied experimentally and theoretically certain metallic nanostructures where electric charge can be measured and transported at a precision of one electron. Before this thesis, single-electron effects in hybrid structures consisting of superconductors (S) and normal metals (N) had not been thoroughly investigated. Many of the new results presented in this thesis concern the SINIS-type single-electron transistor. This structure consists of superconducting source and drain electrodes with a normal metallic island in between. The island is contacted to the electrodes via tunnel junctions (I). Due to a phenomenon konwn as the Coulomb blockade, the electric and heat currents through the transistor can be significantly altered by changing the gate charge by a fraction of the elementary charge. Several physical phenomena in the SINIS transistor were observed for the first time in the experiments of this thesis: We showed that the cooling power incident on the normal metal of the transistor can be modulated by the gate charge. We also demonstrated that the SINIS transistor can be used as an electron turnstile. The electric current through the turnstile is equal to the product of the elementary charge and the frequency of an external driving signal. A device that realizes this current-frequency-dependence with a sufficiently high accuracy could be used in electrical metrology in the future. As an important technological advance in the study of hybrid structures, we demonstrate that single-electron tunneling events between a superconductor and a normal metal can be detected in real time with a capacitively coupled single-electron transistor. By counting individual electrons, electric currents less than 1 attoampere can be measured, which is impossible with traditional room-temperature electronics. By measuring the rate of electron tunneling events, we were able to study the coupling of high frequency microwaves and so-called nonequilibrium quasiparticles to the measured samples. Finally, we have determined the distribution of heat dissipated in the process of charging a metallic island by a single electron.

Metallisessa johtimessa kulkeva sähkövirta syntyy vapaiden johtavuuselektronien liikkeestä verrattain liikkumattomien ionien muodostamassa hilassa. Arkipäiväisen sähkölaitteen käyttämä 1 ampeerin virta vastaa noin 6*10exp18 elektronin virtausta sekunnissa. Tässä väitöskirjassa on tutkittu kokeellisesti ja teoreettisesti metallisia nanorakenteita, joissa sähkövarauksen mittaaminen ja liikuttelu eri johtimien välillä on mahdollista yksittäisen elektronin tarkkuudella. Ennen tätä väitöskirjaa yksielektroni-ilmiöitä ei ollut tutkittu kattavasti suprajohteita (S) ja normaalimetalleja (N) sisältävissä niin sanotuissa hybridirakenteissa. Monet väitöskirjan tuloksista koskevat SINIS-tyypin yksielektronitrasistoria. Tämä rakenne koostuu suprajohtavista lähde- ja nieluelektrodeista sekä niiden välissä olevasta normaalimetallisesta saarekkeesta, joka on kytketty elektrodeihin tunneliliitoskontakteilla (I). Coulombin saarroksi kutsutun ilmiön vuoksi alkeisvarauksen murto-osan suuruiset muutokset SINIS-transistorin hilavarauksessa voivat aiheuttaa merkittävän muutoksen transistorin sähkö- ja lämpövirrassa. Väitöskirjaan kuuluvissa kokeissa havaittiin monia fysikaalisia ilmöitä SINIS-transistoreissa ensimmäistä kertaa: Osoitimme, että transistorin normaalimetalliin kohdistuvaa jäähdytystehoa voidaan säätää muuttamalla transistorin hilavarausta. Demonstroimme myös SINIS-transistorin käytön elektronien kääntöporttina, jonka läpi kulkeva sähkövirta on alkeisvarauksen ja ulkoisen ajotaajuuden tulo. Kääntöporttia, joka toteuttaa tämän taajuus-virta-riippuvuuden riittävän tarkasti, voitaisiin käyttää tulevaisuudessa sähköisten suureiden metrologiassa. Tärkeänä mittausteknisenä edistysaskeleena väitöskirjassa näytetään kokeellisesti, että yksittäisten elektronien tunneloiminen normaalimetallin ja suprajohteen välillä voidaan havaita reaaliajassa kapasitiivisesti kytketyllä yksielektronitransistorilla. Yksittäisten alkeisvarausten laskeminen mahdollistaa alle 1 attoampeerin sähkövirtojen mittaamisen, mikä on mahdotonta perinteisellä huoneenlämpötilassa toimivalla elektroniikalla. Selvittämällä elektronien tunnelointitapahtumien taajuuden saimme tietoa korkeataajuisten mikroaaltojen sekä niin sanottujen epätasapainokvasipartikkelien kytkeytymisestä mitattuihin näytteisiin. Lisäksi määritimme jakauman lämpömäärälle, joka dissipoituu, kun metallisen saarekkeen varausta muutetaan yhdellä alkeisvarauksella käyttämällä ulkoista hilaelektrodia.
Description
Supervising professor
Pekola, Jukka, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Möttönen, Mikko, Dr.Tech., Aalto University, Finland
Keywords
tunnel junctions, Coulomb blockade, electronic transport, supreconductivity, quasiparticles in superconductors, nonequilibrium thermodynamics, tunneliliitokset, Coulombin saarto, elektronien kuljetusilmiöt, suprajohtavuus, kvasipartikkelit suprajohteissa, epätasapainotermodynamiikka
Other note
Parts
  • [Publication 1]: J. P. Pekola, F. Giazotto, and O.-P. Saira. Radio-Frequency Single-Electron Refrigerator. Phys. Rev. Lett., 98, 037201 (4 pages), 2007.
  • [Publication 2]: O.-P. Saira, M. Meschke, F. Giazotto, A. M. Savin, M. Mottonen, J. P. Pekola. Heat Transistor: Demonstration of Gate-Controlled Electron Refrigeration. Phys. Rev. Lett., 99, 027203 (4 pages), 2007.
  • [Publication 3]: J. P. Pekola, J. J. Vartiainen, M. Mottonen, O.-P. Saira, M. Meschke, D. V. Averin. Hybrid single-electron transistor as a source of quantized electric current. Nature Phys., 4, 120–124, 2008.
  • [Publication 4]: J. P. Pekola, V. F. Maisi, S. Kafanov, N. Chekurov, A. Kemppinen, Yu. A. Pashkin, O.-P. Saira, M. Mottonen, J. S. Tsai. Environment-Assisted Tunneling as an Origin of the Dynes Density of States. Phys. Rev. Lett.,105, 026803 (4 pages), 2010.
  • [Publication 5]: O.-P. Saira, M. Mottonen, V. F. Maisi, J. P. Pekola. Environmentally Activated Tunneling Events in a Hybrid Single-Electron Box. Phys. Rev. B, 82, 155443 (6 pages), 2010.
  • [Publication 6]: S. V. Lotkhov, O.-P. Saira, J. P. Pekola, and A. B. Zorin. Single-charge escape processes through a hybrid turnstile in a dissipative environment. New J. Phys., 13, 013040 (14 pages), 2011.
  • [Publication 7]: A. Kemppinen, S. V. Lotkhov, O.-P. Saira, A. B. Zorin, J. P. Pekola, and A. J. Manninen. Long hold times in a two-junction electron trap. Appl. Phys. Lett., 99, 142106 (3 pages), 2011.
  • [Publication 8]: V. F. Maisi, O.-P. Saira, Yu. A. Pashkin, J. S. Tsai, D. V. Averin, and J. P. Pekola. Real-time observation of discrete Andreev tunneling events. Phys. Rev. Lett., 106, 217003 (4 pages), 2011.
  • [Publication 9]: O.-P. Saira, A. Kemppinen, V. F. Maisi, and J. P. Pekola. Vanishing quasiparticle density in a hybrid Al/Cu/Al single-electron transistor. Phys. Rev. B, 85, 012504 (4 pages), 2012.
  • [Publication 10]: J. P. Pekola and O.-P. Saira. Work, free energy and dissipation in voltage driven single-electron transitions. J. Low Temp. Phys., 169, 70–76, 2012.
  • [Publication 11]: O.-P. Saira, Y. Yoon, T. Tanttu, M. Mottonen, D. Averin, J. Pekola. Test of Jarzynski and Crooks fluctuation relations in an electronic system. Phys. Rev. Lett., 109, 180601 (5 pages), 2012.
Citation