A robust platform cooled by superconducting electronic refrigerators
超导体和正常金属之间的偏压隧道结可以冷却后者的电极。基于最近开发的具有高功率和优越性能的冷却器，我们已经成功地将其与介电氮化硅膜集成，并将声子从305 mK冷却到200 mK。在没有穿孔和覆盖在薄氧化铝层下的情况下，膜被严格地转化为冷却平台，该平台坚固耐用，适用于多种实际用途。我们讨论了我们的结果和进一步改进设备的可能性。
2015-01-27 cond-mat.mes-hall
Quantum Circuit Refrigerator
量子技术有望在信息处理、通信、传感和建模方面带来革命性的应用。然而，功能量子自由度的有效按需冷却仍然是许多固态实现（例如超导电路）中的主要挑战。在这里，我们展示了直接冷却的超导谐振器模式使用电压可控的量子隧穿电子在纳米级冰箱。这一结果揭示了一个降低的电子温度在谐振器耦合探针电阻，即使在冰箱本身的电子是在一个高温。我们的结论得到了验证，通过控制实验和一个很好的定量协议之间的详细的理论模型和直接的实验观察在广泛的工作电压和声子浴温度。在未来，引入的冰箱可以与不同的量子电子器件集成，从而可能提高它们的性能。例如，对于超导量子计算机，它可以提供初始化量子比特的有效方法。
2017-03-17 cond-mat.mes-hall
Radio-Frequency Single-Electron Refrigerator
提出了基于介观电子输运的循环制冷原理。电子在库仑阻塞器件（一种普通的金属超导体单电子盒）中的同步顺序隧穿导致在温度$T$下在宽范围的循环频率$f$上的冷却功率为$\sim k_{\rm B}T \times f$。由栅极电压源完成的静电功以$\sim k_{\rm B}T/Δ$的效率从库仑岛移除热量，其中$Δ$是超导能隙。业绩不受非理想因素（例如抵消费用）的重大影响。我们提出了表征系统及其实际实施的方法。
2006-08-03 cond-mat.mes-hall
Nanostructured electrodes for thermionic and thermo-tunneling devices
近年来，人们在脊量子阱（RQW）领域研究了新的量子特性。量子阱层表面上的周期性脊对电子波函数施加了附加的边界条件并降低了量子态密度。被排斥出禁量子态的电子必须占据具有更高能量的态。结果，RQW中的费米能增加，功函数（WF）减小。我们研究了由金属RQW层和基底构成的低WF电极。选择衬底材料，使得电子被限制在RQW中。WF值取决于脊的几何形状和电子约束。我们计算了在半导体和金属衬底上生长的金属RQW薄膜的WF。在半导体衬底的情况下，宽带隙材料是优选的，因为它们允许RQW功函数的更多降低。在金属衬底的情况下，低费米能材料是优选的。对于大多数材料对，WF显著降低。这样的结构可以用作室温电子和热隧道能量转换器和冷却器的电极。
2010-06-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Autonomous quantum absorption refrigerators
利用量子点共振隧穿的量子物理特性，提出了一种量子吸收制冷机。冷库和热库是费米子引线，通过量子点隧道耦合到中央费米子腔，并且我们提出了这样的配置，其中从（非常热的）中央腔吸收的热量被用作资源，以选择性地将热量从左侧的冷库传递到右侧的热库。在设备中的热传输是粒子-孔对称的，我们发现两个制度的冷却作为一个功能的能量的点-对称相对于费米能量的水库-我们将它们与热传递的电子以上的费米能级，和低于费米能级的空穴，分别。我们还讨论了通过微调点的能量以及它们的线宽来优化冷却效果，并表征运输是可逆的，从而实现卡诺性能系数的制度，提供零冷却功率。
2020-10-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fine Structure in Energy Spectra of Ultrasmall Au Nanoparticles
我们已经研究了隧道到个别金纳米粒子的估计直径2-5纳米，在稀释冰箱温度。I-V曲线表明通过粒子的离散能级的共振隧穿。与以前研究的Au和Al的正常金属颗粒不同，在这些样品中，我们发现最低能量的隧穿共振被分成2-10个亚共振的簇。这样的影响似乎是越来越重要的小晶粒，可以预期从较大的特征能量。
2000-05-31 cond-mat.mes-hall
Micrometre-scale refrigerators
在态密度中具有间隙的超导体或具有离散能级的量子点是实现电子芯片冷却器的核心构件。它们可以作为能量过滤器工作，只允许热的准粒子从电极中隧穿出来进行冷却。自20世纪90年代初以来，这一原理已被实验性地应用于亚开尔文温度下的微米级冷却器的研究和演示。在本文中，我们回顾了实现冷却器的基本实验条件和已知限制其性能的主要实际问题。我们给出了在过去五年中在低温微米级制冷机上进行的实验的更新。
2012-03-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Thermal properties of charge noise sources
测量了稀释制冷机中单电子晶体管（SET）的温度和偏置依赖性，结果表明，在电压依赖的阈值温度以上，电荷噪声随制冷机温度线性增加，其低温饱和是由于SET自加热引起的。我们进一步表明，负责电荷噪声的两级波动与SET中的电子有很强的热接触，SET中的电子可以处于比衬底高得多的温度。我们认为噪声是由SET金属和附近势阱之间的电子隧穿引起的。
2013-10-23 cond-mat.mes-hall
A modular ultra-high vacuum millikelvin scanning tunneling microscope
我们描述了超高真空（UHV）扫描隧道显微镜（STM）的设计，结构和性能，能够在稀释冰箱的温度下成像，并配备了矢量磁铁。我们设计的主要目标是通过将STM系统划分为一组易于分离、可互换的组件来实现高水平的模块化。这自然地将STM仪器的UHV需求与稀释制冷机的典型非UHV构造分离，从而促进非UHV材料的使用，同时保持容纳STM的完全可烘烤的UHV室。模块化设计还允许从系统的其余部分快速移除显微镜头，允许在任何时候进行维修，修改甚至更换整个显微镜头，而不会加热低温恒温器或损害真空。在不使用低温滤波器的情况下，我们在超导Al（100）单晶上测量了184 mK的电子温度。
2020-02-06 cond-mat.mes-hall physics.ins-det
Influence of photon-assisted tunneling on heat flow in a normal metal - superconductor tunnel junction
我们从理论上研究了在光子辅助隧穿机制下，交流驱动对混合正常金属-超导体隧道结中热输运的影响。我们发现，从正常的金属的有用的热通量总是减少相比，它的大小在静态和准静态驱动条件下。我们的结果对预测交流驱动超导电子制冷机的工作条件是有用的。
2008-03-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
A 30 mK, 13.5 T scanning tunneling microscope with two independent tips
我们描述的设计，结构和性能的超低温，高场扫描隧道显微镜（STM）与两个独立的提示。STM安装在稀释冰箱上，并在30 mK的基础温度和高达13.5 T的磁场下运行。我们着重于设计的双头STM头，以及样品转移机制，它允许\textit{in situ}转移从超高真空（UHV）制备室，而STM是在1.5 K。其他设计细节，如振动隔离和射频滤波布线也进行了说明。通过光谱电流噪声特性和原子分辨率图像的均方根粗糙度证明了它们的有效性。高场能力由$\text{Cu}_x\text{Bi}_2\text{Se}_3$的超导能隙的磁场依赖性示出。最后，我们提出的图像和光谱与超导Nb尖端与冰箱在35 mK，表明我们的尖端/样品的有效温度约为184 mK，对应于16 $μ$ eV的能量分辨率。
2014-04-22 cond-mat.mes-hall physics.ins-det
Quantum circuit refrigerator based on quantum dots coupled to normal-metal and superconducting electrodes
本研究提出一种半经典理论，结合 Floquet-非平衡格林函数方法与半经典激光理论，分析了与谐振腔耦合的正常金属-量子点-超导体结，揭示了光子辅助 Andreev 反射和准粒子隧穿对谐振腔及正常金属电极的制冷机制。
2024-07-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
High quality superconducting tunnel junction barriers using atomic layer deposition
我们展示了一种技术，用于创建高品质，大面积隧道结势垒正常绝缘超导或超导绝缘超导隧道结。我们采用原子层沉积和铝浸润层在金膜上形成纳米级的绝缘势垒。电子输运测量证实，单粒子电子隧穿是主要的传输机制，和测量的电流-电压曲线表明，使用这些设备作为自校准的可行性，低温温度计具有广泛的可调参数。制造高性能结制冷机的潜力也被强调。
2013-03-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Strain enhanced electron cooling in a degenerately doped semiconductor
增强的电子冷却在体积为40 μ m^3的应变硅/超导体隧道结制冷机中得到了证实。的电子温度从300 mK降低到174 mK，与非应变硅控制（300 mK至258 mK）的增强归因于在应变的情况下较小的电子-声子耦合。硅基冷却器性能的建模和由此产生的预测。如果可以减少结子间隙泄漏和隧道电阻，则预计最低温度将进一步降低。然而，如果只减少隧道电阻，焦耳加热预计占主导地位。
2011-11-18 cond-mat.mes-hall
Correlation-induced refrigeration with superconducting single-electron transistors
提出了一种在没有任何粒子交换的情况下制冷附近金属岛的超导隧道结模型。热提取介导的两个系统的耦合电容的电荷波动。库仑相互作用和超导能隙的相互作用降低了制冷机的功耗。对于现实参数，预测岛将从200 mK的晶格温度冷却到接近50 mK。结果强调了非平衡关联在二分介观导体中的作用。这种机制可以应用于在隧道结阵列中创建局部温度梯度或探索非平衡系统热化中相互作用的作用。
2017-11-28 cond-mat.mes-hall
Phonon cooling of nanomechanical beams with tunnel junctions
我们展示了电子冷却的一维声子模式悬浮纳米线的第一次，使用正常的金属-绝缘体-超导体（NIS）隧道结。实现了电子和声子同时冷却到一个共同的温度。与非悬挂装置相比，在0.1- 0.7K的浴温的整个操作范围内实现了更好的冷却性能。所观察到的低温热输运特性是一致的弹道声子散射在的陶瓷-散装接触作为限制热输运的机制。在实验的最低浴温度$\sim$ 100 mK下，束中的声子和电子都冷却到42 mK，这低于制冷机浴温度。
2009-05-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Energetic optimization effects in single resonant tunneling $GaAs$--nanoconverters
为了研究电子器件中发生的输运现象，已经提出了几种电子能量纳米转换器的模型。例如，在共振隧穿结中，这些现象通过热电效应表现出来。在这种类型的半导体异质结构中的电子通量和热通量之间的耦合，不仅允许获得传输系数（电导率和热导率，以及Seebeck-样和Peltier-样系数），而且还可以研究其作为不可逆热力学背景下的电子发生器或作为制冷机的操作。任何线性能量转换器可以达到的特征稳定状态的存在使我们能够表征一个家庭的Seebeck-样系数，以及建立一种品质因数$(Tz'_{D,I})$的值的界限，都与众所周知的操作制度：最小耗散函数，最大功率输出，最大效率和最大的妥协功能。以$Al_{x}GaAs/GaAs$结为例，我们发现输运系数强烈地依赖于温度和导带高度，这可以根据所选择的操作模式进行调制。
2019-10-28 cond-mat.mes-hall
Theory of quantum-circuit refrigeration by photon-assisted electron tunneling
我们专注于最近实验实现的正常金属绝缘体超导隧道结耦合到超导谐振器的情况。我们发展了第一性原理理论来描述光子辅助电子隧穿对谐振腔量子态的影响。我们的结果是在非常好的定量协议与以前的实验上的制冷和加热的谐振器使用光子辅助隧穿，从而提供了严格的验证理论。重要的是，我们的研究结果提供了简单的分析估计的电压可调的耦合强度和温度的热库形成的光子辅助隧道。因此，它们被用来介绍使用这种量子线路制冷机的量子器件的初始化的优化原理。由于我们方法的第一性原理性质，将理论扩展到量子电子器件的全谱似乎是合理的。
2017-09-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Tunnel-rate controlled local heat distribution in mesoscopic circuits
Indian Institute of Science Education and Research Thiruvananthapuram（印度科学教育研究所特里凡得琅分校）；CNR-Consiglio Nazionale Delle Ricerche, Istituto Officina Dei Materiali（意大利国家研究委员会材料研究所）
研究介观电路中热驱动电输运，利用量子点离散能谱和可调隧穿速率控制热流，实现对热电电流的精确控制，维持量子点两端温差，引入新方法测温度差，展示可调隧穿势垒用于局部热控制及对量子冰箱的潜在意义。
2026-07-09 cond-mat.mes-hall
Characterization of Tunnel Diode Oscillator for Qubit Readout Applications
RIKEN Center for Quantum Computing, RIKEN（RIKEN量子计算中心）；Department of Applied Sciences, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学应用科学系）；Physics of Quantum Fluids and Crystals, B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine（乌克兰国家科学院B.维尔金低温物理与工程研究所量子流体与晶体物理部）；Institute of Physics, Kazan Federal University（喀山联邦大学物理研究所）；Cluster for Pioneering Research, RIKEN（RIKEN前沿研究集群）
本文提出了一种低功耗、高稳定性的隧道二极管振荡器，用于半导体和液氦中电子量子比特的读出应用。
2025-03-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Development of a Scanning Tunneling Microscope for Variable Temperature Electron Spin Resonance
将电子自旋共振（ESR）技术与扫描隧道显微镜（STM）相结合，提高了STM的光谱能量分辨率。在这里，我们展示了一个自制的STM的设计和性能，能够在温度范围从1 K到10 K的ESR。STM与自制的焦耳-汤姆逊制冷机和2轴矢量磁体相结合。我们的STM设计允许原子和分子直接沉积到冷STM中，无需提取样品进行沉积。此外，我们采用了两种方法来施加射频（RF）电压的隧道结，早期的设计布线的STM针尖直接，和最近的想法，使用RF天线。直接比较使用这两种方法测量的ESR结果和隧道结周围的电场分布的模拟表明，尽管它们的不同设计和电容耦合的隧道结，有没有明显的区别，在驱动和检测ESR。此外，在磁场为1.6 T，我们观察到ESR信号（近40 GHz）持续高达10 K，这是最高的温度ESR-STM测量报告的日期，尽我们所知。虽然ESR强度随温度升高呈指数下降，但我们的ESR-STM系统在隧道结处具有低噪声，使我们能够测量强度在亚fA范围内的弱ESR信号。我们的新设计的ESR-STM，这是在一个大的频率和温度范围内工作，可以扩大ESR光谱在STM中的使用，并使现有的STM系统的简单修改，这将有望加速ESR-STM的广泛使用。
2022-08-23 cond-mat.mes-hall
Electronic cooling of a TiW alloy normal-metal island using Nb-based superconducting tunnel junctions
VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.（芬兰技术研究中心有限公司）；Semiqon Oy（Semiqon公司）
该研究利用TiW-Al-AlOx-Nb NIS超导隧道结对TiW正常金属岛实现电子冷却，在0.6-3.5 K区间获最大27%相对降温，其最优电压标度低于理想低温预测。
2026-08-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Nonlinear thermoelectric effects in high-field superconductor-ferromagnet tunnel junctions
热电效应是电荷和热传输耦合的结果，可用于测温、冷却和热能的收集。热电效应的微观起源是电子-空穴对称性的破缺，它在金属结构中通常很小，在低温下消失。我们报告了超导体/铁磁体混合结构中热电效应的实验和理论研究。我们调查的热激励上的热电流的depencence，以及在结两端的直流偏置电压的存在下。在超导体/铁磁体和超导体/正常金属混合结构中观察到大的热电效应。有限电压偏置下观察到的自旋无关的信号被证明是可逆的超导体/正常金属微制冷机的物理。在线性区中的自旋相关热电信号是由于自旋和热输运的耦合，可以用来设计更高效的制冷机
2016-04-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
A scanning tunneling microscope for spectroscopic imaging below 90 mK in magnetic fields up to 17.5 T
我们描述了超高真空扫描隧道显微镜的发展和性能的组合极端条件下的超低温和高磁场。我们结合了顶部加载稀释制冷机和标准桶杜瓦瓶与底部加载超导磁体，以实现4.5天的运行时间，这是足够长的时间来执行各种光谱成像测量。为了使有效电子温度更接近混合室温度，我们特别注意滤除射频噪声，以及增强显微镜单元和混合室之间的热连接。通过测量铝的超导能隙谱，我们估计最低有效电子温度在90 mK以下。我们证实了长期稳定的光谱成像测量可视化超导涡旋的铜酸盐超导体Bi $_{2}$ Sr $_{2}$ CaCu $_{2}$ O $_{8+δ}$。
2018-07-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con physics.ins-det
Design and performance of an ultra-high vacuum spin-polarized scanning tunneling microscope operating at 30 mK and in a vector magnetic field
我们描述的设计和性能的扫描隧道显微镜（STM）的基础温度为30 mK的矢量磁场。低温是基于一个超高真空（UHV）顶部加载湿稀释冰箱，其中包含一个矢量磁铁，允许场高达9 T垂直和4 T平行于样品。STM被放置在一个多腔室的超高真空系统中，该系统允许原位制备和交换样品和尖端。整个系统安装在一个150吨重的混凝土块上，由气动隔离器悬挂，安装在一个隔音和电磁屏蔽的实验室中，该实验室针对极低噪声的扫描探头测量进行了优化。我们展示了整体性能，说明原子分辨率和准粒子干涉成像和详细的实验室和显微镜的振动噪声。我们还通过测量Re（0001）的超导能隙来确定电子温度，并说明了Pt（111）上单个Fe原子的自旋激发的依赖于磁场的测量。最后，我们通过对W（110）上Fe双层的磁结构成像来证明自旋分辨率。
2018-02-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
A millikelvin scanning tunneling microscope in ultra-high vacuum with adiabatic demagnetization refrigeration
本研究设计了一款基于绝热退磁制冷的超高真空毫开尔文STM，实现30 mK-1 K精准控温与长时稳定运行，结合隔振屏蔽设计与极简探头达成优异机械稳定性。
2021-03-22 cond-mat.mes-hall physics.ins-det
Heat Transistor: Demonstration of Gate-Controlled Electron Refrigeration
我们目前的实验超导正常金属电子制冷机的制度，单电子充电效应是显着的。该系统用作热晶体管，即，从普通金属岛出来的热通量可以用栅极电压来控制。单电子隧穿的框架内开发的理论模型提供了一个完整的定量协议与实验。这项工作作为第一个实验观察库仑控制的传热，特别是在介观系统的制冷。
2007-02-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Experimental realization of a quantum dot energy harvester
我们在实验上展示了一种自主的纳米级能量采集器，它利用了共振隧穿量子点的物理特性。GaAs/AlGaAs高电子迁移率晶体管上的栅极定义量子点被放置在热电子库的两侧。量子点的离散能级被调整为与热储层的一侧上的低能电子和另一侧上的高能电子对准。因此，量子点充当能量过滤器，并允许将腔体中的热量转换为电能。在He 3/He 4稀释制冷机中在75 mK的估计基本温度下测量的该能量采集器设备，当每个点上的温差约为67 mK时，可以产生0.13 fW的热功率。
2019-10-01 cond-mat.mes-hall
500 microkelvin nanoelectronics
脆弱的量子效应如量子点中的单电子充电或超导结中的宏观相干隧穿是现代量子技术的基础。这些现象只能在能级之间的特征间距超过热能$k_\textrm{B}T$的器件中观察到，这要求纳米级电子器件采用有效的制冷技术。市售的稀释制冷机已经实现了$10$至$100\,$ mK范围内的典型电子温度，然而，由于杂散射频加热和电子与器件衬底的弱热耦合，纳米器件的间接冷却变得低效。在这里，我们报告通过毫开尔文障碍的纳米电子器件。使用片上和片外核制冷的组合，我们达到了$T_\textrm{e}=421\pm35\,μ$ K的最终电子温度和超过$85\,$小时的保持时间低于$700\,μ$ K测量的自校准库仑阻塞温度计。
2020-12-01 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
