[论文解读] On the Role of Out-of-Equilibrium Phonons in Gated Superconducting Switches

Markus F. Ritter, N. Crescini+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用 5

一句话总结

本研究证明，栅压金属纳米线中的超导性并非由表面电场抑制，而是由高能电子流产生的非平衡声子所导致。关键发现是，即使电子在相距达1 µm的远端栅极间流动，临界电流仍会被抑制，证明声子介导的准粒子注入（而非直接电场效应）是超导开关中占主导地位的机制。

ABSTRACT

Recent experiments suggest the possibility to tune superconductivity in metallic nanowires by application of modest gate voltages. It is largely debated whether the effect is due to an electric field at the superconductor surface or small currents of high-energy electrons. We shed light on this matter by studying the suppression of superconductivity in sample geometries where the roles of electric field and electron-current flow can be clearly separated. Our results show that suppression of superconductivity does not depend on the presence or absence of an electric field at the surface of the nanowire, but requires a current of high-energy electrons. The suppression is most efficient when electrons are injected into the nanowire, but similar results are obtained also when electrons are passed between two remote electrodes at a distance $d$ to the nanowire (with $d$ in excess of $1~\mathrm{μm}$). In the latter case, high-energy electrons decay into phonons which propagate through the substrate and affect superconductivity in the nanowire by generating quasiparticles. We show that this process involves a non-thermal phonon distribution, with marked differences from the loss of superconductivity due to Joule heating near the nanowire or an increase in the bath temperature.

研究动机与目标

• 解决长期存在的争议：即在金属纳米线中，栅压诱导的超导性抑制是由电场还是电子流主导。
• 分离并检验电场与电子流在超导临界电流抑制中的作用。
• 研究高能电子产生的声子是否能在距离纳米线超过1 µm处仍介导超导性抑制。
• 建立高能电子注入与超导系统中非热准粒子生成之间的因果关系。
• 基于声子介导的准粒子注入，为电压控制的超导开关提供明确机制。

提出的方法

• 利用电子束光刻和反应离子蚀刻，在本征硅基底上制备了TiN纳米线及其栅电极。
• 通过三维有限元电场模拟，绘制了有无栅压时的电场分布。
• 在毫开尔文温度（20 mK）下，使用同步锯齿形电流扫描，同步测量临界电流（I_C）和栅极电流（I_G）。
• 施加栅压差，以实现电子向纳米线的注入、从纳米线的提取，或在相距达1 µm的远端栅极间形成电流。
• 利用隧道谱和开关概率分布，探测准粒子分布和非平衡态。
• 从栅极电流测量中减去线性漏电流贡献，以分离出真实的注入电流。

实验结果

研究问题

• RQ1 栅压纳米线中的超导性抑制是否依赖于纳米线表面的电场存在？
• RQ2 在相距超过1 µm的远端电极间流动的高能电子流是否能抑制超导性而无需直接接触？
• RQ3 抑制机制是源于电子弛豫产生的非热声子，还是焦耳加热或浴温升高所致？
• RQ4 电子注入纳米线与电子在纳米线附近流动相比，哪种方式在抑制超导性方面更高效？
• RQ5 观察到的临界电流抑制是否可由非平衡声子分布而非热效应解释？

主要发现

• 超导性抑制与表面电场无关，模拟结果证实即使无抑制现象发生，表面电场依然很强。
• 当高能电子直接注入纳米线时，临界电流抑制最为高效，在最佳栅压下抑制程度超过90%。
• 当电子在两个远端栅极间流动（d > 1 µm）时，也观察到类似的抑制现象，证明声子而非电场是作用媒介。
• 抑制机制涉及非热声子分布，与焦耳加热或浴温升高不同，该结论由开关概率分布证实。
• 栅极电流测量显示，电子注入与准粒子生成之间存在直接相关性，I_G在相关电压范围内可达100 pA。
• 即使电场被最小化，抑制效应依然存在，并在多个器件几何结构和温度（20 mK至3 K）下表现出鲁棒性。