08.12.2011
Das Quantenverhalten supraleitender Nanodrähte ist zurzeit ein aktuelles Thema. Der bemerkenswerteste vorhergesagte Effekt in solchen Strukturen ist der sogenannte Quanten-Phasenschlupf (Quantum Phase Slip - QPS), der bisher aber nicht eindeutig experimentell nachgewiesen wurde. Wie von Mooij und Nazarov [Nature Phys. 2, 169 (2006)] vorhergesagt, sollte das Verhalten der Nanodrähte quantenmechanisch dual zu dem der Josephson-Kontakte sein, bei denen sich einzelne Flussquanten in der Richtung senkrecht zum Suprastrom bewegen können. Auf ähnliche Weise können in einem QPS-Nanodraht unter geeigneten Randbedingungen einzelne Cooperpaare transferiert werden. Diese Annahme beruht auf der Dualität von elektrischer Ladung und magnetischem Fluss. Die Voraussetzungen für eine Realisierung des Effektes sind allerdings schwierig und erfordern eine geeignete Wahl des Materials (große Kohärenzlänge und hoher Widerstand im normalleitenden Zustand), einen geringen Querschnitt des Nanodrahtes (einige Nanometer) und eine hinreichend große externe Impedanz. Motiviert durch die Vorhersage des QPS-Effektes wurde in der PTB aus einer dünnen Schicht aus NbxSi1‑x (x = 0,45) ein Nanodraht-Transistor hergestellt – das duale Bauelement zu einem dc-SQUID. Die Dicke des Nanodrahtes beträgt etwa 10 nm und die Breite an den schmalsten Stellen ungefähr 18 nm. Die bei tiefen Temperaturen gemessenen IU-Kennlinien zeigen in der Tat eine Coulomb-Blockade (dual zu dem kritischen Strom des Josephson-Kontaktes) und eine periodische Abhängigkeit von der Gateladung mit der Periode 2e (der Cooperpaar-Ladung) als Konsequenz einer Quanteninterferenz von zwei Spannungen auf den Transistorzuleitungen. Dies ist die erste experimentelle Demonstration der Dualität von QPS und Josephson-Bauelementen. Das Experiment könnte von Bedeutung sein für die Anwendungen von QPS-Nanodrähten in der Metrologie, nämlich bei der Realisierung eines Quantenstandards für die elektrische Stromstärke basierend auf der Phasensynchronisation des Tunnelns einzelner Cooperpaare durch eine externe Mikrowelle.
Bild 1:
Schaltplan (a) und Layout (b) des in ein Netzwerk von Cr Miniaturwiderständen eingebetteten NbSi Nanodraht-Transistors.
Bild 2:
Strom-Spannungs Kennlinien des NbSi Nanodraht-Transistors für zwei Werte der Gatespannung Vg, die einer Verschiebung von einer halben Periode entsprechen. Die oszillatorische Form der Kurven wird durch einen Anstieg des Inselpotentials mit steigendem Strom hervorgerufen, verursacht durch eine asymmetrische Vorspannung.
Ansprechpartner: A.Zorin
Fachbereich 2.4 : Quantenelektronik