Superconducting tunnel junctions and nanorefrigeration using InAs nanowires
Työssä selvitettiin menetelmää suprajohtavien kontaktien liittämiseksi ohuen eristekerroksen avulla vahvasti n-seostettuun puolijohtavaan InAs-nanolankaan. Lisäksi tutkittiin näin luotujen tunneliliitosten soveltamista nanolankojen elektronisen lämpötilan mittaukseen ja sen jäähdyttämiseen. Nanolangat oli kasvatettu epitaksiaalisesti kultananopartikkeleiden katalysoimina, ja suprajohtavat kontaktit valmistettiin niiden päälle käyttäen tavanomaisia mikrovalmistusmenetelmiä, elektronisuihkulitografiaa ja -höyrystystystä. Aluksi langan päälle höyrystettiin ohut kerros titaania ja paksumpi kerros alumiinimangaania, joka oksidoitiin in situ eristekerroksen luomiseksi, ja lopuksi lisättiin suprajohtava alumiinikerros.
Tunneliliitokset osoittautuivat lähes ideaaleiksi normaali metalli/eriste/suprajohde -liitoksiksi (NIS), joiden normaalitilan resistanssi oli yleensä 5-20 kilo-ohmia. Alumiinin suprajohtavaksi energia-aukoksi mitattiin noin D = 208 µeV, ja tätä arvoa vastaavaa pienemmillä biasointijännitteillä |eV|<D tunneliliitosten johtavuus oli jopa yli neljä suuruusluokka pienempi kuin normaalitilassa. Ainoa poikkeavuus ideaalista NIS-liitoksesta oli konduktanssikäyrässä jännitteella |eV|~D havaittavat tasanteet, jotka kuitenkin katosivat pienessä, kohtisuorassa magneettikentässä, jota sitten käytettiin kaikissa työn myöhemmissä vaiheissa.
Tunneliliitokset soveltuivat hyvin lämpötilan mittaamiseen noin 200 mK:stä ylöspäin, ja niiden herkkyyttä oli helppo muuttaa biasointivirtaa säätämällä. Pienimmillään herkkyys oli -0,65 mV/K 400 mK:ssä. Liitoksia hyödynnettiin mittaamaan nanolankojen elektronisen jäähdytyksen aikaansaamaa lämpötilan alenemista, joko parhaimmillaan oli noin 10 mK ympäröivän lämpötilan ollessa 250-350 mK. Nanolankoja jäähdytettiin niiden päihin asetetuilla liitoksilla ja lämpötilaa mitattiin nanolankojen keskelle asetetuilla liitoksilla.
...
In this work we investigated methods to contact superconducting leads to heavily n-doped semiconducting InAs nanowires via a thin insulating layer. In addition, we studied the electronic thermometry and refrigeration of the wires by applying the tunnel junctions. The nanowires were grown epitaxially with gold nanoparticles as catalysts, and the superconducting contacts were fabricated on top of them by conventional microfabrication methods, electron-beam lithography and electron-beam evaporation. First, a thin titanium layer and a thicker layer of aluminium manganese were evaporated. The aluminium manganese was oxidized in situ to form an insulating layer, and finally an aluminium layer was added to realize the superconducting contacts.
The tunnel junctions proved to be nearly ideal normal metal/insulator/superconductor (NIS) junctions with normal state resistance 5-20 kilo-ohms, typically. The superconducting gap of aluminium was measured to be D = 208 µeV, and the sub-gap conductivity with voltage-biases |eV|<D was suppressed over 4 orders of magnitude compared to the normal state conductivity. The only observed non-ideal properties were the peculiar shoulder structures present in the conductivity curves at voltage bias |eV|~D. The shoulders vanished in a small perpendicular magnetic field, and therefore a small external magnetic field was applied after the initial observation to obtain the further results.
The tunnel junctions were suitable for thermometry from 200 mK upwards and their sensitivity was easily tunable by a current bias. The sensitivity was at best -0.65 mV/K at temperatures around 400 mK. Thermometer junctions were exploited to measure electronic refrigeration, with an observed electronic temperature reduction of nanowires of at best about 10 mK at bath temperatures 250-350 mK. Nanowires were refrigerated by cooler junctions at their ends, and their temperature was measured by thermometer junctions placed in the middle of them.
...
Keywords
Metadata
Show full item recordCollections
- Pro gradu -tutkielmat [29685]
License
Related items
Showing items with similar title or keywords.
-
Superconducting tunnel junction fabrication on three-dimensional topography based on direct laser writing
Heiskanen, Samuli; Maasilta, Ilari J. (American Institute of Physics, 2020)Superconducting junctions are widely used in a multitude of applications ranging from quantum information science and sensing to solidstate cooling. Traditionally, such devices must be fabricated on flat substrates using ... -
Fabrication, electrical characterization and 1/f noise study of submicron-sized superconducting tunnel junctions
Julin, Juhani (University of Jyväskylä, 2016) -
Coexistence of superconductivity and spin-splitting fields in superconductor/ferromagnetic insulator bilayers of arbitrary thickness
Hijano, Alberto; Ilić, Stefan; Rouco, Mikel; González-Orellana, Carmen; Ilyn, Maxim; Rogero, Celia; Virtanen, P.; Heikkilä, T. T.; Khorshidian, S.; Spies, M.; Ligato, N.; Giazotto, F.; Strambini, E.; Bergeret, F. Sebastián (American Physical Society (APS), 2021)Ferromagnetic insulators (FI) can induce a strong exchange field in an adjacent superconductor (S) via the magnetic proximity effect. This manifests as spin splitting of the BCS density of states of the superconductor, an ... -
Superconducting spintronic heat engine
Levartoski de Araujo, Clodoaldo Irineu; Virtanen, Pauli; Spies, Maria; González-Orellana, Carmen; Kerschbaumer, Samuel; Ilyn, Maxim; Rogero, Celia; Heikkilä, Tero Tapio; Giazotto, Francesco; Strambini, Elia (Nature Publishing Group, 2024)Heat engines are key devices that convert thermal energy into usable energy. Strong thermoelectricity, at the basis of electrical heat engines, is present in superconducting spin tunnel barriers at cryogenic temperatures ... -
Current Rectification in Junctions with Spin-Split Superconductors
Ilić, Stefan; Virtanen, Pauli; Heikkilä, Tero T.; Bergeret, F. Sebastián (American Physical Society (APS), 2022)Spin-split superconductors exhibit an electron-hole asymmetric spin-resolved density of states, but the symmetry is restored upon averaging over spin. On the other hand, asymmetry appears again in tunneling junctions of ...