Microwave Noise Measurements on Nanoelectronic Devices
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2020-02-14
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
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
72 + app. 47
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 19/2020
Abstract
Microwave noise and its correlations are important characterization methods in quantum nanophysics. Correlation of current fluctuations can be used to study Hanbury Brown – Twiss (HBT) exchange effect caused by indistinguishability of charge carriers in multiterminal conductors, although this effect has received little experimental attention prior to the two studies included in this thesis. In addition, this thesis presents a correlation measurement system for shot noise and a lumped-element Josephson parametric amplifier (JPA). Shot noise and its correlation were measured using a two-channel system which was designed for 600–900 MHz frequency band and utilized USB-interfaced software-defined radio receivers, digitizing 2 megasamples per second with 8 bit resolution. The sensitivity of the system was close to the theoretical value for the given sample rate. The system was complemented with a cryogenic low-noise amplifier, achieving 21 dB gain with 570–920 MHz bandwidth and 7 K noise temperature. The HBT exchange effect was studied in lithographically patterned disordered graphene samples in cross and box geometries. Both samples showed distinct negative HBT exchange correction whose value changed significantly at low charge carrier density. The experimental results for graphene cross matched with an analytical circuit theory model which combined noise sources of four diffusive arms and a semiballistic central dot. The box was modeled numerically as a two-dimensional diffusive conductor including additional contributions to noise from contact resistances. The experimental results for the box fell between the calculated ones for elastic and hot electron transport. This is attributed to the presence of a crossover regime or features intrinsic to diffusive graphene. JPAs add significantly less noise to the signal than semiconductor amplifiers, and hence noise measurements would benefit from a wideband JPA as a preamplifier. In addition, a simple JPA circuit can be easily modified for the needs of experiments studying the quantum vacuum. The presented JPA was realized as a parallel LC resonator consisting of a superconducting quantum interference device (SQUID) and an interdigital capacitor. The JPA was fabricated with a single electron beam lithography step followed by double-angle evaporation of aluminum. The JPA achieved 20 dB gain with 95 MHz bandwidth around 5.3 GHz, and the noise temperature was close to the one-photon quantum limit.Kohina mikroaaltotaajuuksilla ja sen korrelaatiot ovat tärkeitä karakterisointimenetelmiä kvanttinanofysiikassa. Sähkövirran vaihteluiden korrelaatiota voidaan käyttää tutkittaessa Hanbury Brown – Twiss (HBT) -vaihtoilmiötä, joka johtuu mahdottomuudesta erottaa varauksenkuljettajia toisistaan moniporttisissa johteissa. HBT-vaihtoilmiötä on kuitenkin tutkittu kokeellisesti hyvin vähän ennen kahta tähän väitöskirjaan sisältyvää tutkimusta. Lisäksi tässä väitöskirjassa esitetään raekohinan korrelaatiomittauskytkentä sekä keskitetyin elementein toteutettu Josephson-parametrivahvistin (JPA). Raekohinaa ja sen korrelaatiota mitattiin 600–900 MHz:n taajuusalueelle suunnitellulla kaksikanavaisella mittauskytkennällä hyödyntäen USB-liitäntäisiä ohjelmistoradiovastaanottimia, jotka digitoivat 2 miljoonaa näytettä sekunnissa 8 bitin resoluutiolla. Järjestelmän herkkyys oli lähellä teoreettista arvoa kyseiselle näytteenottotaajuudelle. Järjestelmää täydensi matalan lämpötilan matalakohinainen vahvistin, jonka vahvistus oli 21 dB taajuuskaistalla 570–920 MHz kohinalämpötilan ollessa 7 K. HBT-vaihtoilmiötä tutkittiin ristin ja laatikon muotoisissa, litografisesti kuvioiduissa diffusiivisissa grafeeninäytteissä. Molemmista näytteistä määritettiin selkeästi negatiivinen HBT-vaihtokorjaus, jonka arvo muuttui matalalla varauksenkuljettajatiheydellä selvästi. Grafeeniristin kokeelliset tulokset sopivat hyvin analyyttiseen piiriteoreettiseen malliin, joka yhdisti neljän diffusiivisen haaran kohinalähteet sekä osittain ballistisen keskialueen. Grafeenilaatikko mallinnettiin numeerisesti kaksiulotteisena diffusiivisena johteena, johon sisällytettiin kontaktiresistanssien vaikutukset kohinaan. Kokeelliset tulokset osuivat elastisella kuljetusmallilla ja kuumien elektronien kuljetusmallilla laskettujen tulosten väliin. Tämä johtuu todennäköisimmin kuljetusilmiöiden välimuodosta tai diffusiivisen grafeenin ominaispiirteistä. JPA:t lisäävät signaaliin huomattavasti vähemmän kohinaa kuin puolijohdevahvistimet, joten kohinamittauksissa laajakaistaisen JPA:n käytöstä olisi hyötyä esivahvistimena. Lisäksi yksinkertaista JPA-piiriä voidaan helposti muokata kvanttimekaanisen tyhjiön tutkimuksen tarpeisiin. Esitetty JPA toteutettiin rinnakkaisena suprajohtavan kvantti-interferenssilaitteen (SQUID) ja sormikondensaattorin muodostamana LC-resonaattorina. JPA valmistettiin yhdellä elektronisuihkulitografialla, jota seurasi alumiinin kaksoiskulmahöyrystys. JPA:n vahvistus oli 20 dB, kaistanleveys 95 MHz ja keskitaajuus 5,3 GHz. JPA:n kohinalämpötila oli lähellä yhden fotonin kvanttirajaa.Description
Supervising professor
Hakonen, Pertti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandKeywords
graphene, Hanbury Brown – Twiss exchange effect, shot noise, Josephson parametric amplifier, cross-correlation, diffusive electron transport, grafeeni, Hanbury Brown – Twiss -vaihtoilmiö, raekohina, Josephson-parametrivahvistin, ristikorrelaatio, diffusiiivinen elektronikuljetus
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Teemu Nieminen, Pasi Lähteenmäki, Zhenbing Tan, Daniel Cox, Pertti J. Hakonen. Low-noise correlation measurements based on software-defined-radio receivers and cooled microwave amplifiers. Review of Scientific Instruments, 2016, 87, 114706, pp. 1–5.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201708036407DOI: 10.1063/1.4966971 View at publisher
-
[Publication 2]: Z.B. Tan, A. Puska, T. Nieminen, F. Duerr, C. Gould, L.W. Molenkamp, B. Trauzettel, P.J. Hakonen. Shot noise in lithographically patterned graphene nanoribbons. Physical Review B, 2013, 88, 245415, pp. 1–5.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201509024211DOI: 10.1103/physrevb.88.245415 View at publisher
-
[Publication 3]: Z. Tan, T. Elo, A. Puska, J. Sarkar, P. Lähteenmäki, F. Duerr, C. Gould, L.W. Molenkamp, K.E. Nagaev, P.J. Hakonen. Hanbury-Brown and Twiss exchange and non-equilibrium-induced correlations in disordered, four-terminal graphene-ribbon conductor. Scientific Reports, 2018, 8, 14952, pp. 1–10.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201810245535DOI: 10.1038/s41598-018-32777-5 View at publisher
-
[Publication 4]: Teemu Elo, Zhenbing Tan, Ciprian Padurariu, Fabian Duerr, Dmitry S. Golubev, Gordey B. Lesovik, Pertti Hakonen. Hanbury Brown and Twiss exchange correlations in a graphene box. Physical Review B, 2019, 100, 235433, pp. 1–9.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202001171658.DOI:
-
[Publication 5]: T. Elo, T.S. Abhilash, M.R. Perelshtein, I. Lilja, E.V. Korostylev, P.J. Hakonen. Broadband lumped-element Josephson parametric amplifier with single-step lithography. Applied Physics Letters, 2019, 114, 152601, pp. 1–4.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201905062708.DOI: