Direct writing of Josephson junctions in superconducting nitrides with focused helium ion beam

Abstract

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).