Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6791

Metallische Doppelinselstrukturen mit hohen Tunnelleitwerten

Bernhard Limbach

Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen von Einzelladungseffekten in metallischen Doppelinselstrukturen durchgeführt. Für die Herstellung der Proben wurde ein doppeltes Schattenbedampfungsverfahren angewendet, das es ermöglicht, die Eigenschaften der mittleren und der äußeren Tunnelkontakte unabhängig voneinander zu wählen. Da die Kenntnis der Tunnelleitwerte der einzelnen Kontakte wichtig für die Auswertung war, wurden zwei der Proben mit einem besonderen Layout hergestellt, mit dem die Kontaktleitwerte direkt bestimmt werden konnten.

An den Proben wurden in einem ³He/⁴He-Entmischungskryostaten Messungen des Linear-Response-Leitwerts in Abhängigkeit von der Temperatur und von den Transport- und Gatespannungen durchgeführt.

Ziel war, den Einfluss von Tunnelprozessen höherer Ordnung, die in der einfachen sequentiellen Beschreibung der sogenannten orthodoxen Theorie nicht berücksichtigt werden, zu studieren. Dazu wurden Proben untersucht, die Kontakte mit Tunnelleitwerten in der Nähe des Quantenleitwerts besitzen.

Bei tiefen Temperaturen konnten deutliche Abweichungen vom sequentiellen Modell in Form eines logarithmischen Abfalls des Maximalleitwerts mit sinkender Temperatur nachgewiesen werden, wie er von der Störungstheorie zweiter Ordnung vorhergesagt wird. Mit Hilfe der Messungen konnte die Probenenergie, die die Kopplung zwischen den Inseln charakterisiert, als Skala für die Temperaturabhängigkeit der Korrektur identifiziert werden.

Strong tunneling in metallic double island structures

Abstract
In this work single charge tunneling effects in double island structures have been studied experimentally. The samples were produced using a twofold shadow evaporation technique which allows to choose the parameters of the tunnel junctions independently for the middle and the outer junctions. As the knowledge of the conductance of each junction is essential for comparison with theory, two of the samples were produced with a special layout which allows the direct determination of the junction conductances.

The samples were investigated in a ³He/⁴He-dilution refrigerator by measuring the linear response conductance through the system in dependence of temperature and the bias- and gate voltages.

The objective was to study the influence of higher order tunneling events which are not accounted for in the simple sequential model of the so called orthodox theory. For this purpose samples with junction conductances near the conductance quantum were investigated.

At low temperatures significant deviations from the sequential model could be demonstrated. They manifest in a logarithmic decrease of the maximum conductance with decreasing temperature, as it is predicted by second order perturbation theory. The scale for the temperature dependence of the logarithmic correction could be deduced from the measurements and shows up to be the energy parameter which characterizes the coupling between the two islands.

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