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Hybride Supraleiter-Normalleiter (S/N) Einzelelektronenfalle mit einem dissipativen Vorschaltelement

03.12.2010

Untersucht wurde die Haltezeit einer auf Basis eines R-SINIS Turnstiles („S“: Supraleiter, „I“: Isolator, „N“: Normalleiter) aufgebauten Einzelelektronenfalle. Ihr Zustand wurde mit Hilfe eines hochohmigen Vorschaltelements („R“) stabilisiert und mit einem hybriden SINIS-Elektrometer ausgelesen (Bild 1). Mit einer relativ schwachen Ankopplung des Elektrometers an die Speicherinsel für Elektronen wurde erreicht, dass die Haltezeiten der Insel von den Tunnelprozessen im Elektrometer praktisch nicht beeinflusst werden und somit ein geeignetes Maß für die intrinsischen Leckraten im Turnstile darstellen. Die so ermittelte Rate von etwa einem Elektron alle ein bis zehn Sekunden weist auf eine hocheffiziente Leckunterdrückung durch den Vorwiderstand hin, was einen metrologischen Einsatz erlauben würde.
Ergänzend wurde in Zusammenarbeit mit der Forschergruppe um Prof. J. Pekola von der Aalto University in Helsinki eine quantitative Simulations-Untersuchung durchgeführt mit dem Ziel, mögliche potenzielle Leckmechanismen zu überprüfen. Ein Zwei-Komponenten Modell für die elektromagnetische Umgebung wurde entwickelt, in dem das Ein- und Aus-Tunneln eines Elektrons von der Speicherinsel auf den Photonen-Austausch mit zwei Rauschstörquellen unterschiedlicher Temperatur zurückgeführt wird (sog. „Environmental-Activation-of-Tunneling“, EAT). Als wichtigste Störquellen ergeben sich in dem Modell die Teile der Messeinrichtung außerhalb des Probenhalters bei 4,2 Kelvin,  
falls deren Einwirkung nicht ausreichend gefiltert ist. Für die Temperaturabhängigkeit der Haltezeiten zweier verschiedener Proben (Bild 2) ergab sich eine gute Modellanpassung an die experimentellen Daten.

 

 

Bild 1:
Rasterelektronmikroskopische Abbildung der Einzelelektronen-Schaltung zur Leckraten-Untersuchung in einem hybriden R-SINIS Turnstile.

 

 

 

 

Bild 2:
Einzelelektronen-Haltezeit in Abhängigkeit der Temperatur: Modell (Dreiecke) und Experiment (Linien).

 

 

 

Ansprechpartner: Sergey Lotkhov
Fachbereich 2.4:  Quantenelektronik