[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文通过电容耦合的单电子晶体管（SET）静电计，实现了在混合金属单电子阀门中芯片上实时误差计数，监测两个串联连接的SINIS阀门之间的电荷转移。在高达100 kHz的泵浦频率下，相对误差率低至10⁻³，首次实现了在探测器带宽之外的原位误差检测，同时测量平均电流，为未来自参考的量子电流标准铺平道路。

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.

研究动机与目标

• 通过实现在单电子水平上的实时误差检测，开发基于金属单电子阀门的自参考电流标准。
• 通过在超过探测器时间分辨率的运行频率下实现误差计数，克服探测器带宽的限制。
• 实现在异质SINIS结构中，对库珀对-电子共隧穿（CPE）等基本隧穿过程的原位监测。
• 提供一个可扩展的平台，实现在单个芯片器件中同时测量平均泵浦电流与单个电荷转移误差。
• 研究金属阀门中固有的误差机制，特别是准粒子弛豫和高阶隧穿事件引起的误差。

提出的方法

• 在串联结构中制备双SINIS阀门，通过电容耦合的SET静电计监测中心金属计数节点。
• SET探测器在低温下工作，并调节至在低重复频率下分辨单个电子隧穿事件。
• 在较高泵浦频率下，探测器带宽被超越，但通过长时间积分探测器信号，仍可计数稀有的泵浦误差。
• 该系统允许通过探测器输出，同时测量平均泵浦电流与单个电荷转移事件。
• 通过监测超导计数节点上的电荷态变化，可区分单电子隧穿与双电子过程（如库珀对-电子共隧穿，CPE）。
• 该装置可基于其独特的电压与频率依赖性，实现实时区分不同隧穿过程，特别是通过电荷转移事件对偏置电压的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当运行频率超过探测器带宽时，能否在金属单电子阀门中实现实时泵浦误差检测？
• RQ2 能否在单个芯片器件中同时测量平均泵浦电流与单个电子转移事件？
• RQ3 能否通过在超导引线处进行芯片上的电荷监测，将高阶隧穿过程（如库珀对-电子共隧穿）与单电子隧穿区分开？
• RQ4 在考虑准粒子弛豫和有限隧穿速率时，SINIS阀门中的主要误差机制是什么？
• RQ5 能否通过芯片上的误差检测，实现基于金属阀门的自参考电流标准？

主要发现

• 在低重复频率（≤200 Hz）下，系统能以近乎完美的保真度检测通过计数节点的单个电子，证明了高达数百个电子的无误差顺序转移。
• 在高达100 kHz的泵浦频率下，测得的相对误差率低至10⁻³，与非优化的单个阀门相当。
• 该方案实现了在超过探测器带宽的运行频率下进行误差计数，是此前受时间分辨率限制的方法的重要进步。
• 芯片集成结构允许同时测量平均泵浦电流与单个电荷转移事件，从而实现电流与误差统计的直接关联。
• 通过监测超导计数节点而非正常金属岛，该装置能够基于其独特的电压依赖性，清晰区分双电子过程（如库珀对-电子共隧穿，CPE）与单电子隧穿。
• 结果表明，利用芯片上电荷计数探测异质阀门中基本隧穿机制（包括双电子Andreev反射与准粒子弛豫效应）是可行的。