Direct writing of Josephson junctions in superconducting nitrides with focused helium ion beam
Tekijät
Päivämäärä
2020Tekijänoikeudet
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Vuonna 2015 Cybart et al. osoittivat että Josephsonin liitoksia voi tehdä kuvioimalla
suoraan heliumionisuihkulla YBCO ohutkalvoja. Tämä menetelmä on
hyvin lupaava, sillä se voisi mahdollistaa Josephsonin liitosten valmistamisen
aikaisempaa yksinkertaisemmalla menetelmällä. Lisäksi tätä menetelmää voisi
mahdollisesti käyttää suprajohde-eriste transition tutkimiseeen.
Tässä tutkielmassa fokusoitua heliumionisuihkua käytetään tuottamaan epäjärjestystä
nitridiohutkalvoihin ja näin lokaalisti kontrolloimaan suprajohde-eristetransitiota
tällä alueella. Tämän menetelmän osoitetaan soveltuvan Josephsonin
liitosten tekemiseen suprajohtavissa nitrideissä. Tässä työssä käytetyt
suprajohtavat TiN, NbN ja NbTiN ohutkalvot kasvatetaan pulssilaserkasvatuksella(
PLD), ja huomionarvoista on että tämä on ilmeisesti ensimmäinen kerta
kun NbTiN ohutkalvoja kasvatetaan PLD:n avulla. Tämän projektin aikana PLDlaitteistoa
paranneltiin, ja nämä muutokset käydään läpi tässä tutkielmassa.
Valmistetut näytteet karakterisoitiin matalan lämpötilan mittausten avulla.
Kaikissa tutkituissa nitrideissä suprajohtavaa kriittistä lämpötilaa voitiin laskea
heliumionisuihkun avulla, ja lasku oli sitä suurempi mitä isompi annos heliumionisuihkua
materiaaliin kohdistettiin. Tässä työssä osoitetaan että tätä kontroilloitua
Tc:n laskua voidaan käyttää SNS-tyyppisten Josephsonin liitosten valmistamiseen,
jolloin heikon linkin ominaisuuksia voidaan säätää hyvin paljon.
NbTiN osoittautui kaikista lupaavimmaksi materiaaliksi, koska sillä on korkea
Tc (15.3 K) ja pieni resistiivisyys. Lisäksi tässä tutkielmassa osoitetaan että NbTiN
voidaan saada eristäväksi kohdistamalla siihen tarpeeksi suuri annos heliumioneja,
jolloin myös SIS-tyypin liitoksia voidaan tehdä. SIS-liitoksia voitiin tehdä
onnistuneesti, mutta kaikissa selvästi eristävissä näytteissä kriittinen virta oli
suppressoitu.
Aikaisemmin ei ole raportoitu Josephsonin liitosten valmistamista nitrideissä
suorakirjoittamisen avulla, ja tämä työ voikin avata uusia mahdollisuuksia
Josephsonin liitosten valmistukseseen tulevaisuudessa. Sopiva lyhenne tälläiselle
uudelle Josephsonin liitokselle voisi olla mahdollisesti "Epäjärjestyneen heikon
linkin Josephsonin liitos" eli dJJ.
...
Direct writing of Josephson junctions using focused ion beam in YBCO thin films
was demonstrated by Cybart et al. in 2015. This method could possibly simplify
the fabrication of Josephson junctions for superconducting devices as well as
provide versatile tool to investigate the physics of disorder-driven superconductorinsulator
transition (SIT).
In this thesis this method is used to locally control the SIT in superconducting
nitride thin films via disorder induced by the helium ion beam, and we demonstrate
how this can be used in Josephson junction fabrication. Here high quality
superconducting thin films of NbN, TiN and NbTiN grown with an infrared
pulsed laser deposition (PLD) technique are used for the device fabrication. To our
knowledge, this is the first time when superconducting niobium titanium nitride
is deposited with pulsed laser deposition. During this project some modifications
and improvements to the PLD setup were made, and they are briefly discussed in
the thesis.
Low temperature measurements of the fabricated samples revealed that in
all of the studied nitrides superconductivity can be suppressed by helium ion
irradiation, with higher helium ion fluence resulting in a lower critical temperature
Tc. This controllable Tc suppression combined with the high spatial resolution of
the helium ion microscope was proven to enable successful fabrication of SNS-type
Josephson junctions with highly tunable weak links.
Most promising candidate among the three superconducting nitrides seems
to be NbTiN, because of its high Tc (15.3 K) and low resistivity. In addition,
we demonstrate that NbTiN thin films can be pushed to the insulating side of
the SIT with a high enough helium ion fluence. Thus, fabrication of insulating
barrier SIS Josephson junctions was also shown to be possible. However, in all of
the fabricated devices exhibiting clear insulating behaviour, critical current was
suppressed.
Fabrication of Josephson junctions with direct writing has not been previously
reported on conventional low temperature superconductors, and this work could
open up new exciting possibilities in Josephson junction fabrication in the future.
Suitable acronym for this new kind of device could be Disordered weak link
Josephson Junction (dJJ).
...
Asiasanat
Metadata
Näytä kaikki kuvailutiedotKokoelmat
- Pro gradu -tutkielmat [29559]
Samankaltainen aineisto
Näytetään aineistoja, joilla on samankaltainen nimeke tai asiasanat.
-
Superconducting tantalum nitride-based normal metal-insulator-superconductor tunnel junctions
Chaudhuri, Saumyadip; Maasilta, Ilari (American Institute of Physics, 2014)We report the development of superconducting tantalum nitride (TaN x ) normal metal-insulator-superconductor (NIS) tunnel junctions. For the insulating barrier, we used both AlO x and TaO x (Cu-AlO x -Al-TaN x and ... -
Normal-Metal–Insulator–Superconductor Tunnel Junction With Atomic-Layer-Deposited Titanium Nitride as Superconductor
Torgovkin, Andrii; Chaudhuri, Saumyadip; Malm, Jari; Sajavaara, Timo; Maasilta, Ilari (Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2015) -
Charge transport through spin-polarized tunnel junction between two spin-split superconductors
Rouco, Mikel; Chakraborty, Subrata; Aikebaier, Faluke; Golovach, Vitaly N.; Strambini, Elia; Moodera, Jagadeesh S.; Giazotto, Francesco; Heikkilä, Tero T.; Bergeret, F. Sebastian (American Physical Society, 2019)We investigate transport properties of junctions between two spin-split superconductors linked by a spin-polarized tunneling barrier. The spin-splitting fields in the superconductors (S) are induced by adjacent ferromagnetic ... -
Development of niobium-based superconducting junctions
Nevala, Minna (University of Jyväskylä, 2012)This thesis presents a review of publications which mainly focuses on the fabrication and performance of Nb-based normal metal-insulator-superconductor (NIS) tunnel junctions and superconductor-normal metal-superconductor ... -
Fabrication, electrical characterization and 1/f noise study of submicron-sized superconducting tunnel junctions
Julin, Juhani (University of Jyväskylä, 2016)
Ellei toisin mainittu, julkisesti saatavilla olevia JYX-metatietoja (poislukien tiivistelmät) saa vapaasti uudelleenkäyttää CC0-lisenssillä.