Ajankohtaista

Väitös: 5.8.2016 Suprajohtavien tunneliliitosten valmistus ja sähköinen karakterisointi (Julin)

Alkamisaika: perjantai 05. elokuuta 2016, 12.00

Päättymisaika: perjantai 05. elokuuta 2016, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, FYS1

Juhani Julin kuva: Pauliina Toivola
FM Juhani Julinin fysiikan väitöskirjan ”Fabrication, electrical characterization and 1/f noise study of submicron-sized superconducting tunnel junctions” tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä tohtori Clemens Winkelmann (Université Grenoble Alpes, Ranska) ja kustoksena professori Ilari Maasilta (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuus on englanninkielinen.

Tunneliliitos on yksinkertaisuudessaan rakenne, jossa johtimien välissä oleva ohut eriste estää sähkön klassisen johtumisen, mutta mahdollistaa varauksenkuljettajien kvanttimekaanisen tunneloitumisen eristeen läpi. Ilmiö on seurausta hiukkasten aaltoluonteesta, jossa kappaleilla on äärellinen todennäköisyys läpäistä klassisesti ylittämätön este tuhoamatta tai vahingoittamatta sitä. Suprajohtavista materiaaleista tehdyt tunneliliitokset mahdollistavat suprajohtavuuden ilmiön tutkimisen lisäksi monia sovelluksia, kuten matalan lämpötilan lämpömittarit ja kvanttitietokoneiden ”kubitin”.

Väitöskirjassa tutkittiin eri materiaaleista valmistettuja tunneliliitoksia, mitattiin niiden sähköisiä ominaisuuksia ja pyrittiin parantamaan niiden laatua lämpökäsittelyllä. Kaikki näytteet valmistettiin Nanoscience Centerin puhdashuoneessa elektronisuihkulitografialla ja metallien kulmahöyrystyksellä, jossa alumiini höyrystettiin ensimmäiseksi, sen pinta oksidoitiin eristeeksi ja lopuksi toinen metalli höyrystettiin oksidin päälle. Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti Al-AlOx-Al, Al-AlOx-Al:Mn ja Al-AlOx-Nb liitoksiin, joita mitattiin normaalimetalli-eriste-normaalimetalli (NIN), normaalimetalli-eriste-suprajohde (NIS) ja suprajohde1-eriste-suprajohde2 (SIS’) tiloissa, joissa käytettiin lämpötilaa ja/tai ulkoista magneettikenttää tuhoamaan tarvittaessa suprajohtavuus.

Tunnelointi on herkkä eristeen ominaisuuksille, joka ei välttämättä ole stabiili. Useasti liitokset ikääntyvätkin selvästi, mikä näkyy esim. tunnelointivastuksen muutoksena ajan funktiona. Lämpökäsittelyn (400 oC) havaittiin stabiloivan kaikki tutkitut Al ja Al:Mn pohjaiset liitokset, pitäen liitosten vastuksen lähes samana jopa vuosien ajan.

Erityisen mainittava tulos on 1/f kohinan putoaminen Al-AlOx-Al ja Al-AlOx-Al:Mn näytteissä lämpökäsittelyn seurauksena. Kohina haittaa sovellusten herkkyyttä, joten sen pieneneminen on usein toivottavaa. Esimerkiksi kvanttitietokoneissa on olennaista, että kubitti pitää koherentin tilansa tarpeeksi pitkään ja juuri 1/f kohina aiheuttaa tämän kvanttimekaanisen lomittumisen katoamista.

Monissa sovelluksissa on hyötyä korkeammasta suprajohteen kriittisestä lämpötilasta, joka myös kasvattaa suprajohteen energia-aukkoa. Niobiumilla (Nb) on suurin kriittinen lämpötila puhtaista alkuainesuprajohteista, joten niistä valmistettuja liitoksia on tutkittu paljon. Niobiumin korkea höyrystyslämpötila tekee näytteenvalmistamisesta haastavaa, koska kuuma niobium vahingoittaa sen alapuolella olevaa metallifilmiä. Tässä työssä havaittiin niobiumin kokonaan läpäisevän alemman alumiinioksidin, jolloin tunneliliitosta ei syntynyt. Ongelma ratkaistiin tekemällä kaksinkertainen alumiinin höyrystys peräkkäisine oksidointeineen, jolloin tarpeeksi paksu eriste kesti niobiumin höyrystyksen. Liitoksen sähköinen virta-jännitevaste mitattiin, kuten myös vakiovirta biasoinnilla jännite-lämpötilavaste, joka osoittaa liitoksen toimivan matalan lämpötilan lämpömittarina Nb:n kriittisen lämpötilan (7.8 K) alapuolella.

Tunneliliitoksien teorian testaamista varten ohjelmoitiin Octave-kielellä simulaatio NIS ja SIS’ liitosten tunnelointivirralle, jossa käytettiin perinteisesti hyvin toimivaksi havaittua Dynes-mallia suprajohteiden tilatiheyksille. Tätä simulaatiota verrattiin mitattuun I-V dataan, jonka todettiin vastaavan tarkalleen mitattuja Al-AlOx-Al:Mn liitoksia kryogeenisissä lämpötiloissa. Al-AlOx-Nb liitoksen tapauksessa havaittiin liiallinen johtavuus, jota Dynes malli ei selitä. Tämä johtunee rakenteen geometriasta, jossa viimeisenä höyrystetty Nb edelleen aiheuttaa vahinkoa liitoksen eristeeseen, joka puolestaan vaikuttaa johtavuuteen kasvattamalla vuotovirtaa Nb:n energia-aukon alapuolella.

Lisätietoja:
Juhani Julin, puh. 040 805 4449, juhani.julin@phys.jyu.fi
Viestintäharjoittelija Petra Toivanen, puh. 040 805 3638, tiedotus@jyu.fi

Julin on valmistunut filosofian maisteriksi Jyväskylän yliopistosta vuonna 2009. Hän on työskennellyt tutkijana Jyväskylän yliopistossa vuosina 2008-2016.

Väitöskirja on julkaistu sarjassa JYFL Research Report 8/2016. ISBN 978-951-39-6678-2, ISBN 978-951-39-6679-9 (PDF), ISSN 0075-465X. Väitöskirjaa voi tiedustella fysiikan laitokselta, puh. 040 805 4120.


Abstract

This thesis presents results focused on fabrication and electrical characterization of superconducting tunnel junctions and Josephson junctions, e.g. measuring the current-voltage response and 1/f noise from different samples at different temperatures. Junctions were fabricated inside a vacuum chamber where metal evaporation through a resist mask was used to create submicron-sized junctions. The tunneling barrier was common between all different samples, i.e. in-situ oxidized aluminium between the metal depositions.

Different material combinations were used, e.g. Al-AlOx-Al, Al-AlOx-Al:Mn and Al-AlOx-Nb. The manganese doping in aluminium (Al:Mn) suppresses the superconductivity making the Al:Mn parts normal, while pure aluminium is superconducting, creating a normal metal-insulator-superconductor (NIS) device.

The qualities of junctions were improved, if possible, by vacuum thermal annealing at 400 C, which was found both to stabilize aluminium and aluminium-manganese based junctions and to reduce the characteristic 1/f noise in them, which are desired results, since for most applications it is important to have a junction with stable parameters over long time and 1/f noise is limiting the sensitivity of many devices. However, the procedure is not for granted, since most other NIS material combinations didn't survive the annealing treatment.

We studied Al-AlOx-Nb junctions at cryogenic temperatures (~100 mK) either as a SIS' device, or as a NIS device by suppressing the superconductivity of aluminium with magnetic field, and observed excess sub-gap current, which could not be explained by standard tunneling theory with the Dynes model.

Lisätietoja

Juhani Julin
juhani.julin@phys.jyu.fi
kuuluu seuraaviin kategorioihin: ,