Die Dynamik der „Hotspot-Bildung“ hochenergetischer Quasiteilchen in einem supraleitenden Nanodraht

Energetische Quasiteilchen besitzen eine Sammlung von Quanteneigenschaften, die in supraleitenden Nanostrukturen auf teilchenähnliche Weise wirken, und sie können einer Relaxation unterliegen, indem sie viele kaskadierte Wechselwirkungen zwischen Elektronen, Phononen und einbeziehen Cooper-Paare. Diese Wechselwirkungen sind für die Leistung von Geräten wie Qubits oder Photonendetektoren von Bedeutung, müssen jedoch noch gut verstanden werden Quasiteilchen geregelte Experimente. Typischerweise haben solche Experimente Festkörper-Tunnelübergänge mit einer festen Tunnelbarriere eingebaut.

In einem neuen Bericht in NaturphysikT. Jalabert und ein Forscherteam in Frankreich verwendeten a Rastertunnelmikroskop um die Energie und Rate von Quasiteilchen-Injektionen über die Vorspannung und den Tunnelstrom unabhängig abzustimmen. Die hochenergetischen Quasiteilchen stützten sich auf die injizierte Leistung und Injektionsrate, um einen reduzierten kritischen Strom auf dem Nanodraht zu ergeben. Die Ergebnisse hoben einen thermischen Mechanismus hervor, der der Reduzierung des kritischen Stroms zugrunde liegt, um Einblicke in die schnelle Dynamik eines erzeugten Hotspots zu geben.

Die Leistung von supraleitenden Geräten

Supraleitende Vorrichtungen sind oft durch Quasiteilchendynamik begrenzt oder bestimmt, wobei überschüssige Quasiteilchen für Vorrichtungen wie z. B. nicht vorteilhaft sind supraleitende Mikrokühler Und supraleitende Qubits. Es ist jedoch wichtig, den genauen Mechanismus zu kennen, der der Quasiteilchendynamik zugrunde liegt, um die Geräteleistung zu optimieren und eine Voraussetzung für den Betrieb von Photonendetektoren zu schaffen. Trotz intensiver Forschungsanstrengungen müssen die Physiker die Prozesse verstehen, die während der Energierelaxation von Quasiteilchen in stromführenden Supraleitern gefährdet sind.

In einem kürzlich vorgelegten Vorschlag hatten Experimentalphysiker ein Ganzmetall entwickelt Josephson-Feldeffekttransistor, das sich auf die Regulierung seines kritischen Stroms nach dem Anlegen einer Gate-Spannung stützte. Dies führte zu erheblichen Kontroversen, da es vorgeschlagen wurde ein Erwärmungseffekt nach dem Injizieren hochenergetischer Quasiteilchen. Frühere Experimente auch routinemäßig beschäftigt eine Methode; Es verhinderte jedoch die Entflechtung zwischen Strom- und Spannungseffekten, die Jalabert und Kollegen überwanden, indem sie mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) Quasiteilchen lokal in einen supraleitenden Nanodraht injizierten und gleichzeitig seinen kritischen Strom maßen.

Experimentalphysik mit Rastertunnelmikroskopie (STM)

Der Prozess des Lokalisierens und Kontaktierens einer einzelnen Nanostruktur mit einem Rastertunnelmikroskop ist aufgrund der intrinsischen Inkompatibilität des Mikroskops zum Isolieren einer Nanostruktur eine Herausforderung. Physiker und Materialwissenschaftler hatten sich bisher auf das Kombinieren konzentriert Rasterkraftmikroskopie und STM, obwohl beide Methoden technisch langwierig sind. In dieser Studie verwendeten Jalabert und das Team STM, um das Nanogerät zu lokalisieren und zu messen, und untersuchten sechs supraleitende Nanodrähte mit unterschiedlicher nominaler Niob/Gold-Gesamtdicke.

Sie maßen den kritischen Strom nach dem Injizieren von Quasipartikeln in die Mitte des Nanodrahts und stellten fest, wie der kritische Strom von der injizierten Leistung abhängt. In einem thermodynamischen Rahmen entspannt jedes in den Aufbau injizierte Quasiteilchen seine Energie auf Phononen, das dadurch Hunderte von Cooper-Paaren brach, um viele Quasiteilchen außerhalb des Gleichgewichts zu erzeugen, die den sogenannten Hotspot bildeten. Diese Down-Conversion-Kaskade trat in einem sehr kurzen Zeitrahmen auf in der Größenordnung von Pikosekunden.

Hotspot-Dynamik

Mittels Rastertunnelmikroskopie kartierten Jalabert und Kollegen den Strom als Funktion der Spitzenposition für feste Tunnelbedingungen. Als sich die Position der Spitze von den Zuleitungen entfernte oder die injizierte Leistung zunahm, nahm der kritische Strom weiter ab. Die Physiker bestimmten aus dem gemessenen kritischen Strom die lokale elektronische Temperatur und stellten eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen dem eindimensionalen Wärmemodell fest. Alle experimentellen Daten unterstützten eine durch heiße Quasiteilchen induzierte, thermisch getriebene Verringerung des kritischen Stroms. Sie zeigten, wie ein Überschuss an Quasiteilchen im Hotspot die Dichte der verfügbaren Cooper-Paare reduzierte, um den suprafluiden Strom zu transportieren, was zustimmte mit Vorstudium.

Die Hotspot-Dynamik beruhte auf dem Gleichgewicht zwischen den proliferierenden Quasiteilchen in der Down-Conversion-Kaskade und ihrem Entweichen durch Diffusion. In den hier beschriebenen Modellen spielte nur die wachsende Zahl von Quasiteilchen außerhalb des Gleichgewichts eine Rolle. Die Zeit der Hotspot-Bildung betrug 40 Pikosekunden, was der Zeit entsprach, die für die Quasipartikel-Diffusion über die Breite des Nanodrahts erforderlich war. Das Team beabsichtigt, weitere Studien durchzuführen, um die gekoppelten kinetischen Gleichungen von wechselwirkenden Quasiteilchen und Phononen zu lösen; über den Rahmen der vorliegenden Arbeit hinausgehen.

Ausblick

Auf diese Weise entwickelten T. Jalabert und Kollegen eine leistungsstarke neue Methode zur Untersuchung der Dynamik lokaler Quasiteilchen in supraleitenden Nanostrukturen, um die Tunnelgeschwindigkeit und die Quasiteilchenenergie abzustimmen. Die Physiker nutzten den Versuchsaufbau, um zu zeigen, wie der kritische Strom eines Nanodrahts durch die Injektion eines um mehrere Größenordnungen niedrigeren Quasiteilchen-Injektionsstroms deutlich reduziert werden kann.

Sie schrieben das Ergebnis dem Phänomen der thermischen Erwärmung von Quasiteilchen zu; die Ergebnisse wirken sich unmittelbar auf die Funktion von supraleitenden Nanogeräten wie z Feldeffekttransistoren Und Photonendetektorenmit zusätzlicher Kapazität, um in Zukunft supraleitende Quantenschaltkreise mit verbesserten Effekten von Quasiteilchen zu entwerfen.

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