[論文レビュー] On-chip error counting for hybrid metallic single-electron turnstiles

Joonas T. Peltonen, V. F. Maisi+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2015

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、2つの直列接続されたSINISターミナルに電荷移動をモニタリングする容量結合SET電流計を用いて、ハイブリッド金属的単一電子ターミナルにおけるオンチップ、リアルタイムの誤差カウントを実証した。100 kHzまでの駆動周波数において、相対誤差率が10⁻³にまで低下することが確認され、これは、検出器帯域幅を超える状態での誤差のインサイト検出と、同時に平均電流を測定できる初めての試みであり、将来的な自己基準化量子電流基準の実現に向けた基盤を提供する。

ABSTRACT

We perform in-situ detection of individual electrons pumped through a single-electron turnstile based on ultrasmall normal metal - insulator - superconductor tunnel junctions. In our setup, limited by the detector bandwidth, at low repetition rates we observe errorless sequential transfer of up to several hundred electrons through the system. At faster pumping speeds up to 100 kHz, we show relative error rates down to 10^-3, comparable to typical values obtained from measurements of average pumped current in non-optimized individual turnstiles. The work constitutes an initial step towards a self-referenced current standard realized with metallic single-electron turnstiles, complementing approaches based on semiconductor quantum dot pumps. It is the first demonstration of on-chip pumping error detection at operation frequencies exceeding the detector bandwidth, in a configuration where the average pumped current can be simultaneously measured. The scheme in which electrons are counted from the superconducting lead of the turnstile, instead of direct probing of the normal metal island, also enables studies of fundamental higher-order tunneling processes in the hybrid structures, previously not in reach with simpler configurations.

研究の動機と目的

• 金属的単一電子ターミナルに基づく自己基準化電流基準の開発を目的とし、単一電子レベルでのリアルタイム誤差検出を可能にする。
• 検出器帯域幅の制限を克服するため、検出器の時間分解能を超える動作周波数で誤差カウントを実証する。
• ハイブリッドSINIS構造におけるコープスペア－電子コトンネル効果（CPE）を含む基本的トンネルプロセスのインサイトモニタリングを可能にする。
• 1つのオンチップデバイス内で平均ポンプ電流と個々の電荷移動誤差を同時に測定可能なスケーラブルなプラットフォームを提供する。
• 準粒子緩和および有限トンネルレートを考慮した場合の、金属的ターミナルにおける内在的誤差メカニズムを解明する。

提案手法

• 中央の金属的カウントノードを有する、直列に接続された二重SINISターミナル構造をフォトリソグラフィーで作製し、そのノードを容量結合されたSET電流計でモニタリングする。
• SET検出器は低温環境下で動作し、低繰り返し周波数での個々の電子トンネルイベントを解像可能にチューニングされている。
• 高周波駆動では検出器帯域幅を超えるが、検出器出力信号を時間積分することで、まれなポンピング誤差も依然としてカウント可能である。
• システムにより、検出器出力からの平均ポンプ電流と個々の電荷移動イベントの同時測定が可能である。
• 超伝導体カウントノード上の電荷状態変化を用いて、1電子トンネルと、コープスペア－電子コトンネル効果（CPE）のような2電子プロセスを区別する。
• バイアス電圧依存性に基づく、トンネルプロセスのリアルタイム識別が可能であり、特に電荷移動イベントのバイアス電圧依存性に着目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検出器帯域幅を超える周波数で動作する金属的単一電子ターミナルにおけるポンピング誤差を、検出器帯域幅を超えてリアルタイムに検出可能か？
• RQ2 1つのオンチップデバイス内で、平均ポンプ電流と個々の電子移動イベントを同時に測定可能か？
• RQ3 超伝導体リードでのオンチップ電荷モニタリングを用いて、コープスペア－電子コトンネル効果のような高次トンネルプロセスを単一電子トンネル効果から区別可能か？
• RQ4 準粒子緩和および有限トンネルレートを考慮した場合、SINISターミナルにおける主な誤差メカニズムは何か？
• RQ5 オンチップ誤差検出を用いて、金属的ターミナルに基づく自己基準化電流基準を実装することは可能か？

主な発見

• 低繰り返し周波数（≤200 Hz）では、システムはカウントノード通過の個々の電子をほぼ完璧な忠実度で検出でき、数100個の電子にわたる誤差なしの逐次移動を実証した。
• 100 kHzまでのポンピング周波数において、相対誤差率が10⁻³にまで低下することが測定され、非最適化された個々のターミナルと同等の性能を示した。
• 検出器帯域幅を超える動作周波数でも誤差カウントが可能であるという本手法は、時間分解能に制限を受ける従来手法に比べ、顕著な前進を示している。
• オンチップ構成により、平均ポンプ電流と個々の電荷移動イベントの同時測定が可能となり、電流と誤差統計の直接的な相関が可能になった。
• 通常金属島ではなく超伝導体カウントノードをモニタリングすることで、バイアス電圧依存性の違いに基づき、コープスペア－電子コトンネル効果（CPE）のような2電子プロセスと単一電子トンネル効果を明確に区別できるようになった。
• 本結果は、オンチップ電荷カウントを用いたハイブリッドターミナルにおける基本的トンネルメカニズムの解明、特に2電子アンディーヴ反射および準粒子緩和効果の調査が可能であることを示している。