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Einzelladungstransport in hybriden SNS Turnstiles

05.12.2007

Eine kompakte Transistor-Struktur, bestehend aus zwei kleinen Tunnelübergängen zwischen normalleitenden und supraleitenden Elektroden und einer kapazitiven Gate-Elektrode zur mittleren Insel (Bild 1) wird durch ein Hochfrequenz-Gate-Signal zum quantisierten Ladungstransport angeregt. Der Transport ist zyklisch und erfolgt über Anregungen des Quasiteilchenspektrums des Supraleiters. Getrieben von Gate-Oszillationen, tunneln Elektronen im Wechsel durch jeweils einen Tunnelkontakt.In der Insel werden sie jeweils zu Quasiteilchen immer wechselnder Polarität, die anschließend rekombinieren. Aufgrund dieser Funktionsweise hat ein solches System den Namen „hybrides Turnstile“ bekommen [1]. Unsere jüngsten Untersuchungen haben gezeigt, dass der Turnstile-Mechanismus, bei ausreichend transparenten Tunnelbarrieren, bis in den höheren Frequenzbereich (~1GHz) arbeitet, dass aber die Genauigkeit der produzierten Stromstärke von unerwünschten Leck-Mechanismen stark begrenzt wird. Verantwortlich dafür ist das Mehrfach-Quantentunneln im Sperrbereich der Biasspannung (supraleitende Energielücke). Es hat sich herausgestellt, dass die Strukturen vom „SNS“-Typ („N“ steht hier für das Inselmaterial) für diesen Leck-Prozess deutlich weniger anfällig sind.

Bild 1:
Elektronmikroskopisches Bild eines hybriden Turnstiles.

Des Weiteren wurde der Versuch unternommen, die Leckrate durch gezielten Einsatz miniaturisierter hochohmiger Vorwiderstände zu verringern. Dieses Ziel konnte erreicht werden: die Leckraten wurden geringer, allerdings schob sich gleichzeitig die Stufe des konstanten Stromes in den höheren Biasspannungsbereich (Bild 2), wodurch praktisch der Ladungstransport auf Frequenzen um 100 MHz begrenzt wird. Als wichtiges Ziel weiterer Arbeiten bleibt, einen optimierten Parameterbereich zu finden und diesen experimentell zu verwirklichen. Die Arbeiten finden im Rahmen des von der EU finanzierten Projekts „SCOPE“ statt. 

[1] Hybrid single-electron transistor as a source of quantized electric current, J.P. Pekola, J.J. Vartiainen, M. Möttönen, O.-P.Saira, M.Meschke, and D.V. Averin, Nature Phys. 4, 120 (2008)

Bild 2:
Stufen des konstanten Stromes für zwei Schaltungstypen, SNS und SNS mit Vorwiderstand (R-SNS).