12.11.2012
Die Haltezeiten einer R-SINIS (S: Supraleiter, I: Isolator, N: Normalleiter) Einzelelektronenfalle (Bild 1), deren Ladungszustand mithilfe eines resistiven Vorschaltelementes („R“) stabilisiert und mit einem Tunnelelektrometer ausgelesen wird (SET A), wurden in Abhängigkeit von den Betriebsparametern (Strom und Spannung) eines zweiten, kapazitiv angekoppelten "Heizer"-Transistors (SET B) untersucht. Die Messergebnisse (Bild 2) zeigen, bei konstantem Strom durch SET B, eine erhöhte Tunnelaktivität in der R-SINIS-Speicherschaltung, wenn die Spannung über dem Transistor SET B, und damit die Energie der durch die Tunnel-
prozesse ausgelösten Photonenstrahlung, erhöht wird. Mehrere mögliche Einflussmechanismen des Tunneltransportes in SET B auf das Elektronentunneln in der Falle wurden analysiert und verglichen, unter anderem die Aufheizung des Substrats durch Elektron-Phonon-Kopplung oder das Telegrafen-Rauschen durch Potentialschwankungen der kleinen N-Insel von SET B. Für das sogenannte photonengestützte-Tunneln (engl. "photon-assisted tunneling") wurden umfassende numerische Simulationen des Tunnelprozesses durchgeführt.
Die Analysen zeigten, dass der dominierende Wirkmechanismus ein quantisierter Energieaustausch durch Photonen ist, möglicherweise ergänzt durch einen geringen Beitrag von einzelnen Substrat-Phononen. Die Absorption der Photonen in der Falle liefert die benötigte Energie für das Hinein- bzw. Hinaustunneln einer Elektronenladung und stimuliert den im Experiment registrierten Schaltprozess. Die Falle wirkt als Photonendetektor mit variabler Detektions-Energieschwelle: Die Schaltintensität hängt unter anderem exponentiell von der Höhe der Coulomb-Barriere in der SINIS-Falle ab, die mittels einer externen Steuer- ("Gate"-) Elektrode eingestellt werden kann. Eine künftige Anwendung als Energie-dispersiver Einzelphotonen-Detektor erscheint möglich.
Bild 1: Rasterelektronmikroskopische Abbildung der Schaltung zur Untersuchung des Schaltverhaltens einer Einzelelektronenfalle ("R-SINIS Trap") unter dem Einfluss eines Einzelelektronentransistors ("SET B") als Photonenquelle.
Bild 2: Zeitaufgelöste Zwei-Zustands Schaltsequenz (rote Kurve) bei verschiedenen Betriebs- Zuständen des SET B (blaue Kurve). Das Umschalten zwischen beiden Zuständen entspricht einem ausgetretenen oder einem zusätzlich eingespeicherten Elektron in der Falle. Bei ca. t ≈ 65 s kam es zu einem Zustandswechsel: die Spannung über SET B wurde geringer und führte zur Energieabsenkung der ausgestrahlten Photonen. Als Ergebnis zeigt sich eine deutlich verringerte Häufigkeit der Zustands-anregungen
Ansprechpartner: S. Lotkhov
Fachbereich 2.4: Quantenelektronik