Dynamische Coulomb-Blockade in supraleitenden Einzel-Elektronen-Transistoren

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elke Scheer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553541898

Dieses Projekt befasst sich mit dem Wechselspiel zwischen Ladungseffekten und supraleitendem Mehrteilchentransport in mesoskopischen elektronischen Schaltungen. Ziel ist es, das Phänomen der dynamischen Coulomb-Blockade (DCB) im supraleitenden Zustand besser zu verstehen. DCB ist ein elektronischer Wechselwirkungseffekt, der bei sehr niedrigen Temperaturen in mesoskopischen Leitern auftritt. Im normalleitenden Zustand, wo er von den Eigenschaften der elektromagnetischen Umgebung des Leiters abhängt und sich als reduzierter Leitwert bei kleinen Spannungen manifestiert, ist er gut verstanden, während er im supraleitenden Zustand nicht gut untersucht ist. DCB kann auch als Andeutung der Coulomb-Blockade (CB) betrachtet werden, die im Prinzip eine klassische Folge von Ladungseffekten ist und in kleinen, elektrisch isolierten Leitern sichtbar ist. Zur Untersuchung von CB muss der Leiter ebenfalls zumindest schwach an eine Umgebung (Elektroden) angekoppelt werden, ähnlich wie bei der Untersuchung von DCB. Der Hauptunterschied zwischen DCB und CB besteht darin, dass im Falle von CB der kleine Leiter als separate Einheit betrachtet wird, während dies bei DCB nicht der Fall ist. Das bedeutet, dass die in diesem Projekt behandelte Forschungsfrage auch folgendermaßen formuliert werden kann: Unter welchen Bedingungen ist ein Leiter ausreichend von seiner Umgebung isoliert, um als eigenständige Einheit betrachtet zu werden? Während diese Frage im normalleitenden Zustand beantwortet ist, gilt dies nicht für den supraleitenden Zustand, in dem verschiedene Arten von Ladungsträgern (einzelne Quasiteilchen, Cooper-Paare, Kombinationen von Cooper-Paaren und Quasiteilchen, auch Andreev-Cluster genannt), den Ladungstransport tragen. Vorläufige Studien haben gezeigt, dass ein und dasselbe Bauelement in seinem normalen Zustand im DCB-Regime und in seinem supraleitenden Zustand im CB-Regime vorliegen kann. Diese Fragen werden wir in diesem Projekt von der experimentellen Seite angehen, indem wir elektronische Schaltkreise mit einem in-situ abstimmbaren Kontakt zum kleinen Leiter untersuchen, und durch Simulationen unter Verwendung des Master-Gleichungsansatzes, der für die Untersuchung von CB gut etabliert ist. Wir wollen untersuchen, inwieweit dieser Ansatz auch zur Beschreibung des Übergangs zwischen CB und DCB sowohl im normalleitenden als auch im supraleitenden Zustand angewendet werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen