Quantum transport in novel superconducting hybrid junctions based on germanium nanowire heterostructures - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Quantum transport in novel superconducting hybrid junctions based on germanium nanowire heterostructures

Transport quantique dans des jonctions hybrides superconductrices à bases d'hétérostructures dans des nanofils de germanium

Jovian Delaforce
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1175369
  • IdRef : 264990013

Résumé

Superconductor-semiconductor-superconductor hybrid junctions have great potential for emerging high-performance nano-electronics and quantum devices. In addition to their potential applications, these devices are attractive for studies of quantum phenomena in low-dimensional hybrid systems. In particular, one can think to investigate the interplay between the electronic correlations and transport properties of the semiconductor and the superconducting leads. Crucial to their successful application is the quality and reproducibility of the semiconductor-superconductor interface.Recently, a new method to obtain hybrid junctions has been established by our collaborators in Vienna. By employing a selective, thermally induced Al-Ge substitution process, monolithic Al-Ge-Al nanowire heterostructures can be achieved. These unique hybrid junctions feature crystalline quasi-one-dimensional Al leads which are connected to crystalline Ge segments by near atomically abrupt interfaces. To investigate their transport properties, the nanowire junctions are integrated into a back-gated field effect transistor architecture.This thesis reports on the investigations of the transport properties of the Al-Ge-Al nanowire heterostructure devices at very low temperatures (400 mK). Two kinds of Ge nanowires have been used to build the junctions: intrinsic Ge nanowires passivated by a thin shell of Al2O3 and Ge/Si core/shell nanowires. Investigations of devices with Ge segment lengths of approximately 40 nm reveal gate tuneable Josephson current up to 10 nA. The high quality of the interface is confirmed by the observation of multiple Andreev reflections. Their analysis reveals that Al-Ge interface is up to 95 % transparent.The junctions based on intrinsic germanium can be tuned from a completely insulating regime, through a low conductive regime that exhibits properties of a single-hole filling quantum dot to a supercurrent regime resembling a Josephson field effect transistor. This high tuneability is understood by modelling the Al-Ge-Al junction as two back-to-back Schottky barriers.The junctions based on Ge/Si core/shell nanowires show quantification of the conductance versus the gate voltage, which is an experimental signature of a quasi-one-dimensional ballistic conductor. Using the Landauer formula, we estimate an average interface transparency of the Al-Ge/Si-Al core/shell nanowires, which is consistent with the transparency extracted from the multiple Andreev reflections.The results presented in this thesis demonstrate the potential of these novel germanium nanowire based superconducting-semiconducting hybrid junctions as quantum devices.
Les jonctions hybrides supraconducteur–semiconducteur-supraconducteur ont des applications potentielles dans le domaine de la nano-électronique haute-performance et celui de l’information quantique. Ces systèmes hybrides unidimensionnels sont aussi attractifs pour servir de systèmes modèles dans l’étude de phénomènes quantiques. En particulier, on peut penser à étudier l’interaction entre les corrélations électroniques ainsi que les propriétés de transport du semiconducteur et les propriétés de transport des réservoirs supraconducteurs. Un paramètre crucial pour assurer le succès de ces applications est la qualité et reproductibilité de l’interface interface semiconducteur-supraconducteur.Récemment, une nouvelle méthode pour obtenir des jonctions hybrides a été établie par nos collaborateurs de l’université technique de Vienne. Par recuit contrôlé en température et en temps, une substitution du germanium du nanofils par l’aluminium des contacts produit le déplacement de l’interface, atomiquement plane, entre l’aluminium et le germanium le long du nanofil créant une jonction Al/Ge/Al incluse dans le système. Il en résulte un nanofil monolithique avec au centre un segment de germanium pris en sandwich par deux sections d’aluminium cristallins quasi unidimensionnel. Afin de mesurer leurs propriétés de transport, les nanofils avec jonctions incluses sont intégrées dans une architecture de type transistor à effet de champs, le substrat servant de grille électrostatique en face arrière.Cette thèse présente les études des propriétés de transport de ces nanofils avec jonctions Al-Ge-Al à très basse température (400 mK). Deux genres de nanofils de germanium ont été utilisés pour construire les jonctions: des nanofils de germanium intrinsèque qui sont passivés par une fine coquille de Al2O3 et des nanofils avec un cœur de germanium et une coquille de silicium. L’investigation de ces systèmes avec une longueur du segment de Ge d’environ 40 nm a révélé un courant Josephson qui est ajustable par la grille à hauteur de 10 nA. L’excellente qualité de l’interface est confirmée par l’observation de multiples réflexions d’Andreev. Leur analyse révèle que l’interface Al-Ge a une transparence supérieure à 95 %.Les jonctions se basant sur du germanium intrinsèque voient leur régime de transport fortement varier en fonction de la grille. Le système passe d’un régime totalement isolant, à un régime faiblement conducteur qui présente la signature d’un transistor à trou unique, à un régime supraconducteur qui ressemble à un transistor Josephson à effet de champ. Cette haute sensibilité à la grille est comprise en considérant qu’une jonction Al-Ge-Al peut être modélisée comme deux barrières Schottky placée tête- bêche.Les jonctions se basant sur un nanofils cœur/coquille Ge/Si montrent quant à eux une conductance quantifiée en fonction de la tension de grille ce qui est une signature expérimentale d’un conducteur quasi unidimensionnel balistique. A partir d’une analyse avec la formule de Landauer, nous estimons une transparence moyenne du nanofils Si/Ge qui est cohérente avec la transparence extraite de l’analyse des multiples réflexions d’Andreev.Les résultats présentés dans cette thèse démontrent le potentiel de ces nouvelles jonctions hybrides supraconducteur-semiconducteur se basant des nanofils de germanium comme systèmes quantiques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03817688 , version 1 (17-10-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03817688 , version 1

Citer

Jovian Delaforce. Quantum transport in novel superconducting hybrid junctions based on germanium nanowire heterostructures. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALY009⟩. ⟨tel-03817688⟩

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