Microwave Noise Measurements on Nanoelectronic Devices

Kohina mikroaaltotaajuuksilla ja sen korrelaatiot ovat tärkeitä karakterisointimenetelmiä kvanttinanofysiikassa. Sähkövirran vaihteluiden korrelaatiota voidaan käyttää tutkittaessa Hanbury Brown – Twiss (HBT) -vaihtoilmiötä, joka johtuu mahdottomuudesta erottaa varauksenkuljettajia toisistaan moniporttisissa johteissa. HBT-vaihtoilmiötä on kuitenkin tutkittu kokeellisesti hyvin vähän ennen kahta tähän väitöskirjaan sisältyvää tutkimusta. Lisäksi tässä väitöskirjassa esitetään raekohinan korrelaatiomittauskytkentä sekä keskitetyin elementein toteutettu Josephson-parametrivahvistin (JPA). Raekohinaa ja sen korrelaatiota mitattiin 600–900 MHz:n taajuusalueelle suunnitellulla kaksikanavaisella mittauskytkennällä hyödyntäen USB-liitäntäisiä ohjelmistoradiovastaanottimia, jotka digitoivat 2 miljoonaa näytettä sekunnissa 8 bitin resoluutiolla. Järjestelmän herkkyys oli lähellä teoreettista arvoa kyseiselle näytteenottotaajuudelle. Järjestelmää täydensi matalan lämpötilan matalakohinainen vahvistin, jonka vahvistus oli 21 dB taajuuskaistalla 570–920 MHz kohinalämpötilan ollessa 7 K. HBT-vaihtoilmiötä tutkittiin ristin ja laatikon muotoisissa, litografisesti kuvioiduissa diffusiivisissa grafeeninäytteissä. Molemmista näytteistä määritettiin selkeästi negatiivinen HBT-vaihtokorjaus, jonka arvo muuttui matalalla varauksenkuljettajatiheydellä selvästi. Grafeeniristin kokeelliset tulokset sopivat hyvin analyyttiseen piiriteoreettiseen malliin, joka yhdisti neljän diffusiivisen haaran kohinalähteet sekä osittain ballistisen keskialueen. Grafeenilaatikko mallinnettiin numeerisesti kaksiulotteisena diffusiivisena johteena, johon sisällytettiin kontaktiresistanssien vaikutukset kohinaan. Kokeelliset tulokset osuivat elastisella kuljetusmallilla ja kuumien elektronien kuljetusmallilla laskettujen tulosten väliin. Tämä johtuu todennäköisimmin kuljetusilmiöiden välimuodosta tai diffusiivisen grafeenin ominaispiirteistä. JPA:t lisäävät signaaliin huomattavasti vähemmän kohinaa kuin puolijohdevahvistimet, joten kohinamittauksissa laajakaistaisen JPA:n käytöstä olisi hyötyä esivahvistimena. Lisäksi yksinkertaista JPA-piiriä voidaan helposti muokata kvanttimekaanisen tyhjiön tutkimuksen tarpeisiin. Esitetty JPA toteutettiin rinnakkaisena suprajohtavan kvantti-interferenssilaitteen (SQUID) ja sormikondensaattorin muodostamana LC-resonaattorina. JPA valmistettiin yhdellä elektronisuihkulitografialla, jota seurasi alumiinin kaksoiskulmahöyrystys. JPA:n vahvistus oli 20 dB, kaistanleveys 95 MHz ja keskitaajuus 5,3 GHz. JPA:n kohinalämpötila oli lähellä yhden fotonin kvanttirajaa.