Kuljetus epitaksisissa puolijohde-suprajohdenanolangoissa

Semiconductor nanowires with diameters of the order of 100 nm and lengths of a few microns have many technological applications, and they provide a one-dimensional system for basic physics. A semiconductor nanowire with strong spin-orbit coupling (such as indium arsenide) in proximity with a superconductor is expected support Majorana bound states, a possible platform for topological quantum computing. Signs of them have indeed been observed recently in nanowire/superconductor systems. In this thesis, charge transport in epitaxial indium arsenide/aluminium nanowires is studied. The nanowires have an InAs core surrounded by an Al shell. The high-quality epitaxial interface between the semiconductor and superconductor allows inducing a hard superconducting gap into the semiconductor, which is crucial for observing the topological properties of the Majorana modes. Here, a device with the InAs/Al wire forming the island of a single-electron transistor was fabricated, contacted by normal metal leads with tunnel junctions to the aluminum shell. The current-voltage characteristics and the differential conductance of the device at low temperatures were measured as a function of gate voltages, temperature and a perpendicular magnetic field. The device behaves like a metallic normal metal-insulator-superconductor-insulator-normal metal (NISIN) single-electron transistor. The subgap conductance is suppressed by at least three orders of magnitude compared to the normal state, which is an order of magnitude more than in previous experiments on semiconductor nanowire/superconductor devices. A simple model of a NISIN transistor with a Dynes gamma parameter 10^-3-10^-4 in the superconductor density of states reproduces semiquantitavely the observed conductance level and its temperature dependence. Yet at very small bias voltage values we observe an extra conductance dip. Here, the conductance is at its smallest 10^-6 lower than its value in the normal state. The period of this feature in gate voltage is twice larger than outside the dip (2e vs 1e).Puolijohdenanolankojen läpimitta on sadan nanometrin luokkaa ja pituus muutamia mikrometrejä. Niillä on paljon sovelluskohteita elektroniikkateollisuudessa, ja fysiikan perustutkimuksen kannalta ne muodostavat yksiulotteisen materiaalin. Jos vahvan spin-ratavuorovaikutuksen puolijohteesta, kuten indiumarsenidista, valmistettu nanolanka on suprajohteen läheisyydessä, siinä pitäisi muodostua sidottuja Majorana-tiloja, joita voidaan käyttää topologiseen kvanttilaskentaan. Merkkejä Majorana-tiloista onkin äskettäin havaittu puolijohdenanolankoja ja suprajohteita yhdistävissä laitteissa. Tässä diplomityössä tutkitaan sähköistä kuljetusta epitaksisissa nanolangoissa, joiden indiumarsenidiydintä ympäröi alumiininen kuori. Puolijohteen ja suprajohteen välisen korkealaatuisen epitaksisen rajapinnan ansiosta puolijohteeseen voi indusoitua kova suprajohtava energia-aukko, mikä on tärkeää Majorana-tilojen topologisten ominaisuuksien kannalta. Tässä työssä valmistettiin laite, jossa indiumarsenidi-alumiininanolanka muodostaa yhden elektronin transistorin saarekkeen. Normaalimetalliset johtimet on yhdistetty nanolangan alumiinikuoreen tunneliliitoksilla. Laitteen virta-jännitekäyttäytyminen ja differentiaalinen konduktanssi on mitattu matalissa lämpötiloissa hilajännitteen, lämpötilan ja näytettä vastaan kohtisuoran magneettikentän funktiona. Laite käyttäytyy kuten metallinen normaali-eriste-suprajohde-eriste-normaali (engl. NISIN) yhden elektronin transistori. Energia-aukkoa matalammilla jännitteillä laitteen konduktanssi on vähintään kolme kertaluokkaa pienempi kuin normaalitilassa. Tämä on kertaluokkaa vänemmän kuin aiemmissa puolijohdenanolanka-suprajohderakenteiden mittauksissa. Mittauksia mallinnettiin yhden elektronin NISIN-transistorilla, jossa suprajohteen tilatiheytenä on käytetty ns. Dynesin tilatiheyttä parametrilla gamma välillä 10^-3:sta 10^-4:ään. Malli tuottaa mitattuja arvoja semikvantitatiivisesti vastaavan konduktanssitason ja sen lämpötilariippuvuuden. Hyvin pienillä esijännitteillä konduktanssissa on ylimääräinen kuoppa, ja pienimmillään konduktanssi on 10^-6 kertaa niin pieni kuin normaalitilassa. Tämän piirteen jakso hilajännitteessä on kaksi kertaa pidempi kuin korkeammilla esijännitteillä (2e-jakso 1e-jakson sijaan)