Multiwall carbon nanotube Josephson junctions with niobium contacts

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	25 August 2009
Referee:	Prof. Dr. Christoph Strunk
Date of exam:	17 February 2009
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Christoph Strunk
Keywords:	Josephson-Kontakt , Kohlenstoff-Nanoröhre , , Josephson junctions , carbon nanotube
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	12323

Abstract (English)

The main goal of this thesis is the investigation of dissipationless supercurrent in multiwall carbon nanotubes embedded in a controlled environment. The experimental observation of a dissipationless supercurrent in gated carbon nanotubes remains challenging because of its extreme sensitivity to the environment and to noise fluctuations. We address these issues by choosing niobium as a ...

Abstract (English)

The main goal of this thesis is the investigation of dissipationless supercurrent in multiwall carbon nanotubes embedded in a controlled environment.
The experimental observation of a dissipationless supercurrent in gated carbon nanotubes remains challenging because of its extreme sensitivity to the environment and to noise fluctuations. We address these issues by choosing niobium as a superconductor and by designing an optimized on chip electromagnetic environment.
The environment is meant to reduce the suppression of the supercurrent and allows to disentangle the effects of thermal fluctuations from the intrinsic behavior of the junction.
This is crucial for the extraction of the value critical current from the measured data.

When the transparency of the contacts is high enough we observed a fully developped supercurrent and we found that it depends on the gate voltage in a resonant manner. In average the critical current increases when the gate is tuned more negative, reflecting the increase of the transparency of the contacts, while the resonant behavior is due to quantum interference effects. We measured the temperature dependence of the switching current and we analyzed the data with an extended RCSJ model that allow to extract the critical current from the experimental data.
The measured critical currents are very high with respect to previous reports on gated devices.

At positive gate voltage the contacts transparency is lowered and Coulomb blockade is observed.
This allows to use Coulomb blockade measurements to further characterize the nanotube and to study the physics of a quantum dot coupled to superconducting leads.
The last part of this thesis is dedicated to the measurements of a carbon nanotube Josephson junction in the Coulomb blockade regime.

Translation of the abstract (German)

Das wichtigste Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von dissipationsloser Supraleitung von mehrlagigen Kohlenstoff-Nanoröhren in einer kontrollierten Umgebung. Die experimentelle Beobachtung einer dissipationslosen Supraleitung in Kohlenstoff-Nanoröhren ist nach wie vor eine Herausforderung wegen der extremen Empfindlichkeit gegenüber der Umwelt und des Rauschens. Dazu nehmen wir Niob als ...

Translation of the abstract (German)

Das wichtigste Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von dissipationsloser Supraleitung von mehrlagigen Kohlenstoff-Nanoröhren in einer kontrollierten Umgebung.
Die experimentelle Beobachtung einer dissipationslosen Supraleitung in Kohlenstoff-Nanoröhren ist nach wie vor eine Herausforderung wegen der extremen Empfindlichkeit gegenüber der Umwelt und des Rauschens. Dazu nehmen wir Niob als Supraleiter sowie die Entwicklung einer elektromagnetischen Umgebung auf einem optimierten Chip.
Die Umgebung soll die Supraleitung unterdrücken und erlaubt es, die Auswirkungen der thermischen Fluktuationen von dem inneren Verhalten der Kreuzung zu trennen.
Dies ist entscheidend für die Gewinnung der Größe des kritischen Stroms aus den gemessenen Daten.

Wenn die Transparenz der Kontakte hoch genug ist, haben wir eine voll entwickelte Supraleitung und wir haben festgestellt, dass sie von der Gate-Spannung in einer resonanten Weise abhängt. Im Durchschnitt steigt der kritische Strom, wenn das Gate negativer abgestimmt ist, was auf die Erhöhung der Transparenz der Kontakte deutet, während das resonante Verhalten auf Quanteninterferenzeffekte zurückzuführen ist.
Wir haben die Temperaturabhängigkeit des Schaltstroms gemessen und die Daten mit einer erweiterten RCSJ Modell analysiert, mit dem wir den kritischen Strom aus den experimentellen Daten ableiten konnten.
Der gemessene kritische Strom ist sehr hoch in Bezug auf die früheren Berichte über Gate-Geräte.

Bei positiver Gate-Spannung ist die Transparenz der Kontakte gesenkt und Coulomb-Blockade wird beobachtet.
Dies erlaubt es, Coulomb-Blockade-Messungen zur weiteren Charakterisierung der Nanoröhren und zur Untersuchung der Physik eines Quantenpunktes gekoppelt an Supraleitern einzusetzen.
Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Messung eines Kohlenstoff-Nanoröhren Josephson-Kontakt in dem Bereich der Coulomb-Blockade.

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