Експеримент дозволив з’ясувати природу подщелевой витоку в тунельних переходах типу SIN, а також значно поліпшити точність перекачування електронів електронним насосом

Експеримент, проведений міжнародною групою вчених в Університеті Аалто (Фінляндія) та корпорації NEC (Японія), дозволив з’ясувати природу подщелевой витоку в тунельних переходах типу SIN, а також значно поліпшити точність перекачування електронів електронним насосом (пристроєм на основі одноелектронного транзистора типу SINIS). Застосування шунтуючої ємності підвищило точність перекачування на два порядки.

Це робить реальним створення прецизійних джерел струму з вихідним струмом близько 1 нА і відносною точністю не гірше 10-6. Таких значень достатньо для замикання квантового метрологічного трикутника (в даний час є квантові стандарти напруги та опору). Результати роботи опубліковані в Physical Review Letters.

Важливий елемент багатьох електронних пристроїв – тунельні переходи на основі надпровідних матеріалів. До пристроїв з великими тунельними переходами ставляться цифрові схеми на основі одноквантовой логіки, надпровідникових детектори, змішувачі та підсилювачі НВЧ діапазону, магнітометри на основі сквидов, фазові кубіти.

Тунельні переходи малої площі становлять основу зарядових і потокових кубітів, електронних насосів і одноелектронних транзисторів. Очевидно, що якість тунельних переходів визначає характеристики кінцевих пристроїв.

Одним з параметрів, що характеризують якість тунельних переходів, є так зване подщелевое опір – *опір ділянки вольт-амперної характеристики переходу нижче напруги щілини**.

Згідно теорії Бардіна-Купера-Шриффера (БКШ), в тунельних переходах з ідеального сверпроводника і нормального металу подщелевое опір Rsg пов’язане певним співвідношенням асимптотичних опором Rn. Наприклад, для алюмінієвих переходів (де енергетична щілина близько 200 мкэВ) при температурі нижче 100 мК ставлення Rn/Rsg повинно бути дуже малою величиною, менше 5*10-12. Експериментально ж спостережуване значення, як правило, перевищує 10-4 . Тобто подщелевое опір на багато порядків менше значення, очікуваного теорії БКШ.

Така розбіжність часто приписують існування подщелевых квазичастичных станів, що дають внесок в електронний транспорт при малих напругах зсуву.

Американський фізик Дайнс (R. C. Dynes) ще в кінці 70-х років запропонував просту формулу для густини станів, з допомогою якої добре відтворюється подщелевой струм витоку. Такий підхід бездоганний математично, проте він не дає фізичного пояснення появи подщелевых станів.

«Подщелевая витік негативно впливає на точність роботи електронного насоса на основі одноелектронного транзистора типу SINIS (для досягнення метрологічної точності перекачування електронів 10-8 необхідно досягти значення Rn/Rsg такого ж рівня). Однак виявилося, що подщелевую витік можна пояснити і без припущення про існування подщелевых станів. Формулу Дайнса можна отримати в рамках простої моделі, припустивши наявність у тунельного переходу дисипативного електромагнітного оточення з температурою, вище температури самого переходу. У такому разі енергії, випромінюваної омічного частиною електромагнітного оточення, виявляється достатньо для збудження в надпровіднику невеликого числа довгоіснуючих квазічастинок, що призводить до появі струму витоку нижче щілинного напруги, навіть якщо температура самого тунельного переходу близька до нуля. Тоді стає зрозуміло, як зменшити вплив зовнішнього електромагнітного оточення на транспорт в одиночних тунельних переходах при малих напругах зсуву – необхідно зашунтувати перехід великою ємністю», – говорить один з авторів роботи, старший науковий співробітник лабораторії надпровідності ФІАН, кандидат фізико-математичних наук Юрій Пашкин.

В експерименті дослідники провели порівняння вольт-амперних характеристик двох SIN-переходів. У переході з паралельною шунтуючої ємністю ставлення Rn/Rsg виявилося більш ніж на порядок менше, ніж в аналогічному переході без шунтуючої ємності, що добре узгоджується із запропонованою моделлю.

Прямим результатом шунтування одноелектронного насоса стала краща точність перекачування електронів, яка визначається тим, наскільки плоско утворюється струмове плато. У насосах з шунтуючої ємністю поліпшення становить два порядки. Результати роботи опубліковані в одному з найпрестижніших журналів в галузі фізики Physical Review Letters.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *