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Untersuchung des Einzel-Cooper-Paar-Transports in kleinen Josephson-Kontakten

31.12.2003

An der PTB durchgeführten theoretischen Abschätzungen zufolge bieten Cooper-Paar-Pumpen auf der Basis kleiner Josephson-Kontakte in dissipativer elektromagnetischer Umgebung im Vergleich zu ihren normalleitenden Pendants Vorteile bei der Realisierung einer Quanten-Stromquelle: So könnte eine Cooper-Paar-Pumpe mit einer zehnfach höheren Taktfrequenz von 100 MHz betrieben werden und dadurch eine entsprechend größere Stromstärke von I = 2e·f ≤ 32 pA erzeugen.

Um diese attraktive Eigenschaft optimal ausnutzen zu können, muss man den Beitrag konkurrierender Transportmechanismen sowie den Einfluss verschiedener Störfaktoren minimieren, die aufgrund der Besonderheiten des supraleitenden Zustandes auftreten. Dabei darf die Rate des seriellen Tunnelns von Paaren, je eines über jeden Kontakt, die für die Schnelligkeit des Pumpens maßgebend ist, möglichst wenig reduziert werden.

Hierfür spielt die dissipative Umgebung eine besonders wichtige Rolle: Sie ermöglicht es, auch relativ transparente Tunnel-Kontakte, deren Josephson-Kopplungsenergie etwa gleich der Coulombenergie EC ist, im Einzelladungs-Tunnelregime zu betreiben, und unterdrückt dabei wirkungsvoll Tunnelprozesse höherer Ordnung (das „Co-Tunneln“ von Cooper-Paaren).

Der letztgenannte Effekt wurde jüngst in der PTB zum ersten Mal theoretisch beschrieben und experimentell untersucht und mit dem seriellen Tunneln verglichen. Als Test-Schaltung diente ein supraleitender Einzelladungstransistor aus zwei seriell angeordneten Al/AlOx/Al – Tunnelkontakten mit einem kompakten Cr-Vorwiderstand. Ferner wurde der Einfluss von EC auf die Ladungsparität der Mittenelektrode des Transistors untersucht. Das Bild zeigt, wie die Spitze im Co-Tunnelstrom bei Spannungen um 20 µV durch den Vorwiderstand unterdrückt wird.


Effekt eines Vorwiderstandes R auf den Co-Tunnelstrom in der links dargestellten Schaltung für Werte R von 0, 3 und 5 kΩ. Die Quadrate für R = 3 kΩ stimmen am besten mit der durchgezogenen theoretischen Linie überein. Die Gate-Abhängigkeit des Cooper-Paar-Stromes bei R = 3 kΩ ist im kleinen Diagramm dargestellt.