Superconducting tunnel junctions and nanorefrigeration using InAs nanowires

Abstract

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.