Введение к работе
Актуальность темы исследования
Электронные устройства составляют основу высоких технологий. С момента изобретения транзистора они играют ключевую роль в обработке информации, связи, метрологии, медицине и измерительной технике, а также стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Тенденция к миниатюризации электронных компонентов связана со стремлением к повышению быстродействия электронных процессоров, увеличению плотности записи информации, а значит объёма памяти электронных устройств, созданию более чувствительных датчиков и приёмников, а также уменьшению энергопотребления. При уменьшении размеров электронных устройств в них начинают проявляться качественно новые эффекты, связанные, в частности, с дискретной природой электрического заряда и квантовой волновой природой электронов. Изучение квантовых эффектов и создание на их основе новых приборов и устройств является одной из первоочередных задач современной физики конденсированного состояния.
Исследования в этом направлении сконцентрированы, в частности, на квантовой информатике, квантовой метрологии и разработке измерительных устройств нового типа.
Наряду с развитием традиционных цифровых технологий в последнее время большое внимание уделяется разработке квантовых алгоритмов обработки и передачи информации, а также физических основ построения квантового компьютера, который способен решать вычислительные задачи, непольсильные для обычного, даже самого быстродействующего, компьютера. Реализация первого твердотельного кубита, описанного в данной работе, дала мощный толчок разработкам в области квантовой информатики. В настоящее время многие экспериментальные группы заняты поиском физических систем, которые могли бы использоваться в качестве кубитов, обладая при этом достаточно длинным временем декогерентности. Сверхпроводниковые джозефсоновские схемы являются одними из наиболее перспективных для создания квантового процессора.
Ещё одной важной областью применения наноэлектронных схем является квантовая метрология. Оказалось, что хорошо изученный одноэлектронный транзистор имеет реальные перспективы стать эталоном единицы электрического тока. Такой эталон, в отличие от используемого ныне эталона ампера, основанного на силе притяжения двух длинных проводников, будет основан на контролируемом переносе электронов через электрическую цепь с помощью высокочастотного управляющего сигнала.
Попутно с физическими и метрологическими задачами решаются также вопросы качества компонентов наноэлектронных устройств, в частности, сверхмалых туннельных переходов, которое напрямую связано с характеристиками конечных устройств. Например, изучение механизмов утечки в туннельных переходах и её устранение позволит увеличить время когерентности кубитов, повысить точность эталона единицы электрического тока, а также улучшить работу других устройств на основе таких переходов.
Наконец, с точки зрения измерительной техники большой интерес представляют наноэлектромеханические системы, включающие в себя механический резонатор нанометровых размеров и преобразователь механических колебаний в электрический сигнал. Область применения таких систем включает сверхчувствительные измерения массы (вплоть до массы одиночных молекул) и силы. Кроме того, наномеханические резонаторы, имеющие резонансную частоту 1 ГГц и выше, интересны и с фундаментальной точки зрения, так как позволяют исследовать квантовые эффекты в чисто механических системах.
Цель работы - исследовать эффекты, связанные с коррелированным транспортом зарядов в металлических наноструктурах, содержащих сверхмалые туннельные переходы и острова, а также создать прототипы наноэлектронных устройств на их основе.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
разработать технологию изготовления металлических наноструктур с воспроизводимыми характерными размерами в плане менее 50 нм;
исследовать одноэлектронные транзисторы с емкостным и резистивным затвором, исследовать возможность перекачки электронов через одноэлектронные транзисторы с целью создания эталона единицы электрического тока;
создать прототип твердотельного квантового бита на основе ячейки куперовских пар, продемонстрировать наличие когерентности и возможность манипуляции квантовыми состояниями, измерить время
когерентности;
исследовать возможность связи двух квантовых битов, показать квантовый характер динамики такой системы, оценить степень запутанности квантовых состояний кубитов, продемонстрировать квантовую логическую ячейку CNOT;
изучить влияние внешнего электромагнитного окружения на туннельные процессы в сверхмалых туннельных переходах;
разработать технологию создания наномеханических резонаторов в виде подвешенных мостиков, закреплённых с обоих концов, с возможностью интегррации резонаторов и наноразмерных электронных устройств;
исследовать механические свойства металлических резонаторов, провести сравнение их характеристик с аналогичными резонаторами на основе полупроводников и изоляторов, изучить механизмы затухания в высокочастотных металлических наномеханических резонаторах;
исследовать транспорт в одноэлектронном транзисторе с механической степенью свободы.
Научная новизна и достоверность
Большинство из изученных наноэлектронных и наноэлектромеханических
устройств реализовано и исследовано впервые. Научные выводы обоснованы
согласием экспериментальных результатов с теоретическими моделями, а
также с результатами экспериментов, проведённых другими авторами.
-
-
Впервые экспериментально продемонстрирована квантовая когерентность и наблюдены квантовые осцилляции между двумя макроскопическими состояниями сверхпроводящей структуры. Таким образом создан первый прототип твердотельного квантового бита, базового элемента квантового компьютера.
-
Впервые экспериментально продемонстрирована квантовая динамика двух связанных твердотельных квантовых битов. Таким образом показана принципиальная возможность связи двух макроскопических квантовых объектов с перспективой наращивания сложности квантовых устройств и дальнейшей интеграции.
-
Впервые реализована твердотельная логическая квантовая ячейка CNOT. Наличие одиночного кубита (см. пункт 1) и элемента CNOT делает принципиально возможным создание любых других логических
элементов и, в конечном счёте, квантового процессора.
-
-
Впервые экспериментально исследована работа одноэлектронного транзистора с резистивной связью. В отличие от своего емкостного аналога, такой транзистор может иметь высокий коэффициент усиления по напряжению.
-
С помощью электронной литографии создан и исследован одноэлектронный транзистор с емкостной связью, работающий при комнатной температуре. Это доказывает возможность создания сверхчувствительных электрометров, работающих при температурах выше температуры жидкого гелия или азота.
-
На примере туннельных переходов типа NIS показано, что подщелевая утечка, ранее приписывавшаяся существованию подщелевой плотности состояний, объясняется влиянием электромагнитного окружения. Шунтирование перехода большой ёмкостью на подложке позволяет уменьшить ток утечки примерно на два порядка. Это улучшает качество туннельных переходов и устройств на их основе.
-
Показано, что свойства внешнего электромагнитного окружения джозефсоновских туннельных переходов и сверхпроводящих одноэлектронных транзисторов отражаются в их транспортных характеристиках. Резонансы во внешней цепи проявляются в виде токовых пиков. Использование шунтирующей ёмкости позволяет изменить свойства электромагнитного окружения и подавить резонансы.
-
Продемонстрирована синхронная работа десяти параллельных электронных насосов на основе одноэлектронных транзисторов типа сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник. При десятикратном увеличении выходного тока точность преобразования частоты управляющего сигнала в постоянный ток не ухудшается и остаётся такой же, как у одиночного электронного насоса.
-
Разработана технология изготовления и изучены свойства металлических наномеханических резонаторов. Обнаружено, что их добротность при низких температурах не уступает добротности резонаторов из монокристаллических материалов, таких как кремний, арсенид галия и других.
-
Создано и изучено интегрированное наноэлектромеханическое устройство, включающее в себя высокочастотный наномеханический резонатор и
чувствительный наноэлектронный преобразователь механических колебаний в электрическиий сигнал на основе одноэлектронного транзистора.
Практическая значимость диссертации
-
-
-
Продемонстрированные эффекты макроскопической квантовой когерентности в твердотельных структурах открывают возможность создания процессоров принципиально нового типа, работающих на квантовых принципах. Такие процессоры смогли бы решать многие вычислительные задачи, непосильные для современных классических, даже самых быстродействующих, компьютеров.
-
Одноэлектронные транзисторы уже находят применение в качестве сверхчувствительных электрометров. Повышение их рабочей температуры позволит существенно расширить область их применений и привести к их широкому практическому использованию. В частности, одноэлектронные транзисторы с резистивной связью могут использоваться в качестве усилителей напряжения.
-
Выяснение природы подщелевого транспорта в туннельных преходах типа NIS и предложенные меры по его подавлению позволили уменьшить подщелевую утечку примерно на два порядка, что улучшило качество туннельных переходов и устройств на их основе. Это имеет первостепенное значение для метрологии и измерительной техники.
-
Результаты по параллелизации работы электронных насосов на основе одноэлектронных транзисторов типа сверхпроводник - изолятор - нормальный металл - изолятор - сверхпроводник открывают путь к созданию эталона единицы электрического тока нового типа, основанного на контролируемом переносе одиночных электронов через электрическую цепь.
-
Наноэлектромеханические устройства, включающие наномеханический резонатор из поликристаллического алюминия и преобразователь механических колебаний в электрический сигнал, могут найти применение в качестве чувствительных датчиков массы и силы.
Защищаемые положения
1. Экспериментально продемонстрировано, что свехпроводниковая схема на основе ячейки куперовских пар ведёт себя как квантовая двухуровневая система. Суперпозиция двух квантовых состояний системы контролируется внешним сигналом. Состояние системы измеряется с помощью дополнительного зондового туннельного перехода. Наблюдаются квантовые осцилляции между двумя макроскопическими состояниями такой системы. Таким образом создан твердотельный квантовый бит.
-
-
-
-
Предложена, проанализирована и реализована схема из двух связанных зарядовых джозефсоновских кубитов. Экспериментально продемонстрирована квантовая динамика такой системы. На основе такой схемы продемонстрирована работа квантовой логической ячейки CNOT.
-
Реализован и изучен одноэлектронный транзистор с резистивной связью. Показано, что коэффициент усиления по напряжению такого устройства определяется эффектом перегрева электронной подсистемы устройства и поэтому значительно ниже ожидаемого для выбранных параметров устройства.
-
Достигнуто значение рабочей температуры одноэлектронного транзистора, рекордное для устройств, изготовленных с помощью стандартной электронной литографии.
-
Экспериментально продемонстрирован эффект синхронного переноса электронов через десять электронных насосов на основе одноэлектронных транзисторов типа сверхпроводник - изолятор - нормальный металл - изолятор - сверхпроводник, работающих в параллель, с соответствующим увеличением выходного тока.
-
Экспериментально исследован эффект внешнего электромагнитного окружения на свойства одиночных туннельных переходов и одноэлектронных транзисторов. Показано, что резонансы во внешней цепи проявляются в транспорте обоих устройств. Использование шунтирующей ёмкости вблизи устройств позволяет подавить резонансы, а также существенно уменьшить ток утечки в одиночных переходах типа нормальный металл - изолятор - сверхпроводник, что повышает точность работы электронных насосов на основе таких переходов.
-
Разработана оригинальная методика изготовления металлических наномеханических резонаторов, позволяющая интегрировать их в наноэлектронные устройства, такие как одноэлектронные транзисторы, зарядовые и потоковые джозефсоновские кубиты. Задетектирован высокочастотный механический резонанс острова одноэлектронного транзистора в его постоянном токе. Измерены температурная зависимость частоты и затухания резонаторов.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично или при его непосредственном участии. Автором было инициировано большинство описанных экспериментов, сформулирована цель исследования, поставлены задачи исследования, проанализированы результаты, сделаны итоговые выводы.
Апробация работы
Материалы, вошедшие в диссертацию были доложены автором в виде приглашённых докладов на
International Conference "Chernogolovka 2000": Mesoscopic and Strongly Correlated Electron Systems, 9-16 July 2000, Chernogolovka, Moscow Region, Russia; 3rd International Symposium on Formation, Physics and Device Application of Quantum Dot Structures (QDS2000), 10-14 September 2000, Sapporo, Japan; International Workshop "Superconducting Nano-Electronics Devices (SNED2001)", 28 May-1 June 2001, Naples, Italy; International Conference on Solid State Devices and Materials. (SSDM2003), 16-18 September 2003, Tokyo, Japan; 2004 APS March Meeting, 22-26 March, Montreal, Canada; Сессии Отделения физических наук РАН 21 апреля 2004, Москва, Россия; 4th International Workshop "Macroscopic Quantum Coherence and Computing", 7-10 June 2004, Naples, Italy; Workshop on quantum systems out of equilibrium, 14-25 June 2004, Trieste, Italy; International Symposium "Quantum Informatics 2004", 5-8 October 2004, Moscow, Russia; International Symposium on Superconductivity, 23-25 November 2004, Niigata, Japan; Joint Workshop on Superconductivity, 1-2 December 2004, Osaka, Japan; Gordon Research Conference on Quantum Information Science. 27 February-4 March 2005, Ventura, CA, USA; 37th ISTC Japan Workshop on Advanced Nanomaterials in Russia/CIS, 12-13 December 2005, Tsukuba, Japan; 82nd Meeting of the Korean Physical Society, 20-21 April 2006, Gwangwon-do, Korea; Taiwan International Conference on Superconductivity and 8th Workshop on Low-Temperature Physics 1-4 August 2006, Yi-Lan, Taiwan; International Workshop on Mesoscopic Transport and Noise, 2-16 September 2006, Corfu, Greece; 3rd European Conference on the
Fundamental Problems of Mesoscopic Physics and Nanoelectronics, 9-14 September 2007, Mojacar, Spain; 2010 International Conference on Nanoscience and Nanotechnology, 22-26 February 2010, Sydney, Australia; Workshop on Quantum Physics using Superconducting Artificial Atoms and Nanomechanics, 4-5 March 2010, Atsugi, Kanagawa, Japan; XIV Симпозиум «Нанофизика и нано- электроника», 15-19 марта 2010, Нижний Новгород, Россия; Quantum Cavities Workshop, 8-10 April, 2010, Montreal, Canada; International Conference and School "Mesoscopic structures: fundamentals and applications" (MSFA-2010), 20-25 June 2010, Novosibirsk, Russia; International Conference "Arrow of time and the problem of decoherence in closed solid-state quantum systems", 11 - 15 October 2010, Paris, France; Int. Workshop on Quantum Physics of Low- Dimensional Systems and Materials, 2-7 January 2011, Stellenbosch, South Africa.
Автором были представлены устные и стендовые доклады на 1st and 3rd International Symposium on Formation, Physics and Device Application of Quantum Dot Structures (QDS'98, QDS2000), 31 May-4 June 1998, 10-14 September 2000, Sapporo, Japan; International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM'98, SSDM2003), 7-10 September 1998, Hiroshima, 16-18 September 2003, Tokyo, Japan; 2nd and 3rd Symposium on Quantum Effects and Related Physical Phenomena, 21-22 December, 1998, 21-22 December, 1999, Tokyo, Japan; Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics, 15-18 March 1999, Kobe, Japan; Centennial Meeting of the American Physical Society, 20-26 March 1999, Atlanta, GA, USA; Fall Meeting of the Japanese Society of Applied Physics, 1-3 September 1999, Kobe, Japan; March Meeting of the American Physical Society, 20-24 March 2000, Minneapolis, MN, USA; European Meeting on the Technology and Application of SET-Devices, 5-6 June, 2000, Braunschweig, Germany; International Conference "Chernogolovka 2000": Mesoscopic and Strongly Correlated Electron Systems, 9-16 July 2000, Chernogolovka, Moscow Region, Russia; International Workshop "Superconducting Nano-Electronics Devices (SNED2001)", 28 May-1 June 2001, Naples, Italy; International Symposium on Carrier Interactions and Spintronics in Nanostructures (CISN2003), 10-12 March 2003, Atsugi, Kanagawa, Japan; International Superconducting Electronics Conference (ISEC2003), 7-11 July 2003, Sydney, Australia; 2004 APS March Meeting, 22-26 March 2004, Montreal, Canada; Workshop "Quantum Technologies 2004", 30-31 March 2004, Vancouver,
Canada; Сессия Отделения физических наук РАН 21 апреля 2004, Москва, Россия; 4th International Workshop "Macroscopic Quantum Coherence and Computing", 7-10 June 2004, Naples, Italy; Workshop on quantum systems out of equilibrium, 14-25 June 2004, Trieste, Italy; International Symposium "Quantum Informatics 2004", 5-8 October 2004, Moscow, Russia; International Symposium on Superconductivity, 23-25 November 2004, Niigata, Japan; Joint Workshop on Superconductivity, 1-2 December 2004, Osaka, Japan; Gordon Research Conference on Quantum Information Science, 27 February-4 March 2005, Ventura, CA, USA; 37th ISTC Japan Workshop on Advanced Nanomaterials in Russia/CIS, 12-13 December 2005, Tsukuba, Japan; 82nd Meeting of the Korean Physical Society, 20-21 April 2006, Gwangwon-do, Korea; Taiwan International Conference on Superconductivity and 8th Workshop on Low-Temperature Physics 1-4 August 2006, Yi-Lan, Taiwan; International Workshop on Mesoscopic Transport and Noise, 2-16 September 2006, Corfu, Greece; 3rd European Conference on the Fundamental Problems of Mesoscopic Physics and Nanoelectronics, 9-14 September 2007, Mojacar, Spain; Gordon Research Conference "Mechanical Systems in the Quantum Regime", 17-22 February 2008, Ventura, CA and 21-26 March 2010, Galveston, TX, USA; 2010 International Conference on Nanoscience and Nanotechnology, 22-26 February 2010, Sydney, Australia.
Также результаты работы были представлены автором на семинарах в Лаборатории наноэлектроники корпорации NEC, Лаборатории низких температур Университета Аалто (Хельсинки, Финляндия), Национальном институте стандартов и технологии (Боулдер, штат Колорадо, США), Университете Ратгерс (штат Нью Джерси, США), Университете Стони Брук (штат Нью Йорк, США), Калифорнийском Университете в Риверсайд (штат Калифорния, США), Университете Нового Южного Уэльса (Сидней, Австралия) и Университете Квинсленда (Брисбен, Австралия).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 73 работы, в том числе 45 статей в реферируемых журналах, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, а также 28 публикаций в прочих журналах, трудах конференций и сборниках. Структура работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Она изложена на 232 страницах, содержит 5 таблиц и 63 рисунка. Список литературы включает 235 наименований.
Похожие диссертации на Коррелированный транспорт в металлических наноструктурах с кулоновской блокадой
-
-
-
-
-
-
-
