Large-area SINIS tunnel junctions for cooling applications

Abstract

Työn aiheena on pinta-alaltaan suuret SINIS-tunneliliitokset ja niiden käyttö jäähdytyksessä. SINIS-tunneliliitos koostuu kahdesta normaalimetalli-eristesuprajohde (NIS) rakenteesta, jotka ovat kytkettynä toisiinsa sarjaankytkennällä. Tällaisia rakenteita voidaan käyttää jäähdytyksessä matalissa lämpötiloissa. Tämän mahdollistaa suprajohteille ominainen energia-aukko, joka tarkoittaa, että tietyillä energian arvoilla suprajohteessa ei ole sallittuja tiloja, joille elektronit voisivat asettua. Energia-aukko sijoittuu keskitetysti Fermi-energian E_F kohtaan, joka tarkoittaa että lämpötilassa T = 0 kaikki Fermi-energian alapuolella olevat tilat ovat miehitettyjä ja sen yläpuolella olevat tyhjillään. Kun normaalimetallin ja suprajohteen välille kytketään jännite, metallien Fermi-tasoja voidaan muuttaa, ja elektronit pystyvät tunneloitumaan normaalimetallista suprajohteeseen. Sopivalla jännitteen arvolla vain korkeimman energian omaavat elektronit normaalimetallissa ovat energiassa suprajohteen energia-aukon yläpuolella, joten vain ne pystyvät tunneloitumaan. Tämä pienentää normaalimetallin keskimääräistä energiaa, joten sen lämpötila laskee.

SINIS-tunneliliitoksen jäähdytysteho on verrannollinen liitoksen pintaalaan ja energia-aukon neliöjuureen. Tämän takia jäähdytystehoa saadaan teorian mukaan kasvatettua käyttämällä mahdollisimman suuria liitospintaaloja ja suprajohdemateriaaleja, joilla on mahdollisimman suuri energiaaukko.

Tässä työssä valmistettiin 60 µm x 60 µm ja 30 µm x 30 µm Al/AlOx/Cu SINIS liitoksia ja mitattiin niiden virta-jännite käyttäytymistä matalissa lämpötiloissa. Alumiinin lisäksi myös niobia kokeiltiin suprajohdemateriaalina, koska sillä on alkuainesuprajohteista suurin energia-aukko. Tulokset osoittavat, että valmiiden näytteiden käyttäytyminen eroaa ideaalisesta teorian mukaisesta käyttäytymisestä, mutta siinä on kuitenkin selvästi nähtävissä tyypillisiä tunneliliitoksille ominaisia piirteitä.

NIS tunnel junctions are small-scale structures consisting of a superconductor and a normal metal separated by a thin insulating barrier. They can be used in cooling applications at ultra low temperatures. A SINIS junction contains two NIS junctions in series. The cooling power of the device is proportional to the area of the junction and the energy gap of the superconductor. In this work large-area Al/AlOx/Cu junctions were fabricated with standard lithographic techniques and ultra high vacuum evaporation. The areas of the junctions are 60 µm x 60 µm and 30 µm x 30 µm. Current-voltage characteristics of the devices were measured at millikelvin temperature range using 3He-4He-dilution refrigerator. The obtained IV and dI/dV data deviates from ideal BCS behavior, but still shows some typical tunnel junction characteristics. In addition to aluminum, Nb/Al/AlOx/Cu junctions with niobium as the superconducting electrode were also fabricated. Nb is the element with the highest energy gap, making it theoretically ideal material for SINIS cooler fabrication.