Yksittäisten epätasapainokvasihiukkasten laskeminen suprajohteessa

Defence is held on 13.8.2021 13:00 – 17:00 via remote technology (Zoom), https://aalto.zoom.us/j/63762884840Superconductivity is based on the Cooper pairing of electrons, which enables flow of electrical current without resistance, expulsion of magnetic fields in the Meissner effect, as well as electrical circuits obeying the rules of quantum mechanics. Such superconducting circuits are currently under intensive study as building blocks of quantum computers, among other applications. The performance of many superconducting devices is limited by spurious unpaired electrons known as nonequilibrium quasiparticles. In this thesis, we study nonequilibrium quasiparticle excitations in mesoscopic superconductors using charge detectors based on single-electron devices. In the first part of this thesis, we present background material on superconductivity and single-electron devices, and review the literature on excess nonequilibrium quasiparticles. We then describe the experimental methods used to fabricate and measure the devices studied in this thesis, presenting a new technique for fabricating high-quality aluminum oxide tunnel barriers to a semiconducting nanowire covered with epitaxially grown aluminum, as well as a method for analyzing the switching rates of a random telegraph signal such as that resulting from tunneling of electrons. The next part of this thesis focuses on charge detectors based on single-electron devices. We have improved our measurement setup by integrating a Josephson parametric amplifier with ultralow added noise. As an application of single-electron devices and charge detection in stochastic thermodynamics, we quantify the work that can be extracted beyond the free-energy difference from a single-electron box. We also measure in real time Cooper pair splitting, in which the two electrons of a Cooper pair simultaneously tunnel to spatially separated normal metal islands whose charge is monitored. In the last part, we present results on quasiparticle excitations. We have found that the origins of quasiparticles on a mesoscopic superconductor may be dominated by the backaction of charge detectors. Investigating the backaction mechanism, we find that it is most likely mediated by nonequilibrium phonons. We then show that a mesoscopic superconductor can be used as a detector of Cooper-pair-breaking radiation, such as phonons, in a mode where the response is self-calibrating: inferring the rate of Cooper pairs broken does not require detailed knowledge of the device parameters. Finally, we show that a superconductor can be completely free of quasiparticles for times up to seconds, five orders of magnitude longer than the timescales for qubit operations. This is done by monitoring the instantaneous quasiparticle number on a mesoscopic island with a fast charge detector. In our experiment, the Cooper pair breaking rate decayed over timescales of weeks, which rules out all the previously suggested origins of quasiparticle excitations.Suprajohtavuus perustuu siihen, että elektronit muodostavat Cooperin pareja. Niiden ansiosta suprajohteessa voi kulkea sähkövirta ilman vastusta ja suprajohde hylkii magneettikenttiä Meissnerin ilmiössä. Suprajohtavista komponenteista voidaan rakentaa kvanttimekaniikan lakeja noudattavia virtapiirejä, joita tutkitaan esimerkiksi kvanttitietokoneiden rakennuspalikoina. Monien suprajohtavien laitteiden toimintaa kuitenkin rajoittaa se, että niissä esiintyy parittomia elektroneja, joita kutsutaan kvasihiukkaseksitaatioiksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan näitä epätasapainokvasihiukkasia mesoskooppisissa suprajohteissa hyödyntämällä yhden elektronin transistoreihin perustuvia varausilmaisimia. Väitöskirjan ensimmäisessä osassa käsitellään suprajohtavuuteen ja Coulombin saartoon liittyvää teoriaa sekä aiempaa tutkimusta epätasapainokvasihiukkasista. Sen jälkeen esitellään työssä käytetyt näytteenvalmistus- ja mittausmenetelmät, kuten väitöskirjassa kehitetty tapa valmistaa korkealaatuisia tunneliliitoksia epitaksiaalisen alumiinikerroksen ympäröimiin puolijohdenanolankoihin, sekä uusi menetelmä, jolla voidaan selvittää esimerkiksi elektronien tunneloitumisesta syntyvän satunnaissignaalin parametrit. Väitöskirjan seuraavassa osassa keskitytään yhden elektronin transistoreiden käyttöön varausilmaisimina. Työssä on parannettu käytettyä mittalaitteistoa integroimalla siihen erittäin matalakohinainen Josephson-liitoksiin perustuva ns. parametrivahvistin. Varausilmaisimien sovelluksena stokastisen termodynamiikan tutkimukseen määritetään kokeellisesti, kuinka paljon yli vapaan energian erotuksen voidaan saada irti työtä yhden elektronin loukusta. Toisessa kokeessa mitataan kahden normaalimetallisen saarekkeen varaustilaa reaaliajassa, ja havaitaan miten Cooperin parin lomittuneet elektronit jakaantuvat eri saarekkeille. Lopuksi esitellään työn epätasapainokvasihiukkasiin liittyvät päätulokset. Osoitamme, että joissain tilanteissa kvasihiukkaset syntyvät pääasiallisesti käytetyn varausdetektorin aiheuttamina ja että tämä tapahtuu todennäköisesti epätasapainofononien välityksellä. Seuraavaksi näytämme, miten mesoskooppista suprajohdesaareketta voidaan käyttää mittaamaan Cooperin parien hajoamisnopeutta tavalla, joka ei vaadi saarekkeen parametrien tarkkaa tuntemista tai kalibrointia. Viimeiseksi osoitamme mittaamalla tällaisen saarekkeen varaustilaa reaaliajassa, että jopa sekuntien pituisin jaksojen aikana saarekkeella ei ole yhtäkään kvasihiukkasta. Tämä on viisi suuruusluokkaa pidempi kuin kvanttibittien operaatioihin kuluva aika. Tässä kokeessa Cooperin parien hajoamisnopeus laski useiden viikkojen ajan, mikä sulkee pois kaikki aiemmin esitetyt epätasapainokvasihiukkasten aiheuttajat