27.11.2017
Ein neuartiger Elektronenladungs-Turnstile-Effekt wurde durch Anregen von Hochfrequenz-Gateoszillationen an einem supraleitenden Einzelelektronentransistor demonstriert. Einzigartig beim so entwickelten 3e-Turnstile ist die Rolle des quantenmechanischen "Cooper Paar – Elektron" Kotunnelns als Haupttransport-Mechanismus, im wesentlichen Unterschied zu den bekannten Einzelelektronenpumpen.
Kotunneln gleich mehrerer Elementarladungen durch einen oder mehrere Tunnelkontakte stellt einen wichtigen quantenmechanischen Prozess höherer Ordnung dar, insbesondere unter Bedingungen, die aufgrund des Energieerhaltungsprinzips keinen direkten Einteilchen-Tunnelvorgang erlauben. Als Hintergrundeffekt beschränkt der Kotunnelstrom substantiell die Präzision von Einzelelektronenpumpen. Dort stellt das sog. "Cooper Paar – Elektron" (CPE) Kotunneln eine kritische Fehlerquelle im Pumpenbetrieb des hybriden Supraleiters (S) – Isolator (I) - Normalleiter (N) Elektronenturnstiles (sog. "SINIS-Turnstile") dar. In diesem hybriden System liegt jedoch die CPE-Kotunnelrate unterhalb der Messgenauigkeit für die Stromstärke und kann nur mithilfe von aufwändigen Fehlerdetektions-Algorithmen quantitativ erfasst werden. Dank einer wesentlich stärkeren Josephson-Kopplung in SIS-Tunnelkontakten ist es jetzt möglich geworden, den Kotunnelstrom in einem komplett supraleitenden Aluminium-Transistor in Form eines zyklischen Drei-Elektronen-Ladungstransfers anzuregen und direkt zu messen.
Der Effekt zeigt sich durch Ausbildung eines in der Gatespannung periodischen Musters mit Konstantstrom-Plateaus (Bild 1) tief unterhalb der supraleitenden Energielücken-Spannung und oberhalb des Niedrigspannung-Suprastrom-Bereichs. Ähnlich wie im Falle eines hybriden SINIS-Turnstiles werden mit zunehmender Gate-Amplitude VA null, zwei, vier usw. benachbarte "Coulomb-Diamanten" umspannt und eine zunehmende Zahl von Elementarladungen pro Modulationszyklus transferiert (Bild 2). Die Frequenzabhängigkeit des CPE-Pumpenstroms (Bild 2, kleines Bild) zeigt im sub-MHz-Bereich einen beinahe linearen Verlauf, ISISIS ∝ 3ef. Hierbei ist der Vorfaktor 3 der "Fußabdruck" für den Drei-Elektronen-Kotunneltransfer. Zu höheren Frequenzen und daraus resultierend kürzeren Gate-Zyklen hin wird allmählich die relativ niedrige Dreiteilchen-CPE-Kotunnelrate zum begrenzenden Faktor und der Strom nimmt nur noch sublinear zu. Im Vergleich dazu zeichnet sich ein ähnlich bedeutsamer Hochfrequenz-Effekt bei Einzelelektronenpumpen erst ab f > 100 MHz ab.
Eine interessante Weiterentwicklung dieses Experimentes wäre die Untersuchung des CPE-Kotunneln in einer SIS’IS-Turnstile-Schaltung, wobei das Supraleitersymbol S‘ für eine durch Einwirken eines Magnetfeldes zunehmend normalleitend werdende Blockade-Insel steht. Damit könnte ein fließender Übergang zwischen SISIS- und SINIS-Turnstile-Typen realisiert werden.
Bild 1: Gatespannungs-periodisches Muster der Konstantstrom-Plateaus, ISISIS = 3ef, dargestellt als 3D-Diagramm im Niedrigspannungsbereich der Strom-Spannungs-Kennlinien (Betriebsfrequenz f = 1 MHz, Amplitude VA = 12,5 mV und Temperatur T = 15mK).
Bild 2: Konstantstromstufen als Funktion der Gate-Amplitude für die Betriebsfrequenzen f = 0,1; 0,2; ...; 1,1 MHz (von unten nach oben), gemessen im Zentrum eines Stromplateaus wie im Bild 1. Die gepunktete rote Linie markiert den Wert VA = 12,5 mV für die Messung im eingefügten Bild.
Eingefügtes Bild: CPE-Pumpenstrom gegen Frequenz f. Die eingezeichnete dünne Linie entspricht ISISIS = 3ef.