[论文解读] Activation mechanisms for charge noise

M. Gustafsson, Arsalan Pourkabirian+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2012

Quantum and electron transport phenomena被引用 2

一句话总结

该论文将单电子晶体管（SET）的金属电极与附近势阱之间的电子隧穿确定为电荷噪声的主要机制，噪声随温度升高呈线性增长，其阈值取决于偏置电压。关键发现是，双态涨落器与SET中的热电子强烈热耦合，解释了因自加热而非本征温度效应导致的低温噪声饱和现象。

ABSTRACT

Measurements of the temperature and bias dependence of Single Electron Transistors (SETs) in a dilution refrigerator show that charge noise increases linearly with refrigerator temperature above a voltage-dependent threshold temperature, and that its low temperature saturation is due to SET self-heating. We show further that the two-level fluctuators responsible for charge noise are in strong thermal contact with the electrons in the SET, which can be at a much higher temperature than the substrate. We suggest that the noise is caused by electrons tunneling between the SET metal and nearby potential wells.

研究动机与目标

• 理解单电子晶体管（SETs）在低温条件下的电荷噪声起源。
• 解决观测到的低温电荷噪声饱和与预期热激活行为之间的矛盾。
• 研究双态涨落器与SET中电子系统之间的热耦合机制。
• 确定电子隧穿和自加热在调制噪声特性中的作用。

提出的方法

• 在稀释制冷机中测量SET的电流与噪声，以研究温度和偏置电压的依赖关系。
• 通过在不同栅压下分析电荷噪声的温度依赖性，识别出阈值行为。
• 通过比较不同偏置点和温度下的噪声水平，分离出自加热效应。
• 从低温下观测到的噪声饱和现象推断出涨落器与热电子之间存在热接触。
• 建立了一个模型：电子隧穿进入局域势阱，形成振荡电荷，从而产生噪声。
• 理论分析将观测到的噪声随温度线性增长与电子隧穿动力学及热激活过程联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 SET中电荷噪声在某一阈值温度以上随温度线性增加的原因是什么？
• RQ2 为何电荷噪声在低温下趋于饱和，而非如热激活理论预期的那样继续降低？
• RQ3 双态涨落器如何与SET中的电子系统实现热耦合？
• RQ4 电子隧穿进入势阱在生成电荷噪声中起什么作用？
• RQ5 SET的自加热在多大程度上导致低温下噪声的饱和？

主要发现

• 电荷噪声在电压依赖的阈值以上随温度线性增加，表明该过程为热激活过程。
• 低温下电荷噪声的饱和主要由SET的自加热引起，而非本征热抑制效应。
• 双态涨落器与SET中的电子强烈热耦合，电子温度可显著高于基底温度。
• 电子隧穿进入附近势阱被确定为产生电荷噪声的主导机制。
• 观测到的噪声行为无法仅用传统热激活模型解释，必须引入电子加热效应。
• 系统的电子温度超过浴温，尤其在高偏置下更为显著，从而解释了在低温浴温下噪声仍持续存在的原因。