Resumen de Joule spectroscopy and heating effects in hybrid superconductor-semiconductor nanodevices
- español
Esta última década ha sido testigo de un intensa exploración de nanoestructuras híbridas superconductor-semiconductor, postulándose como una plataforma con un gran potencial para aplicaciones en tecnologías cuánticas. Sin embargo, a pesar de ser uno de los dispositivos más prometedores en este ámbito, hay muy pocos trabajos en los que se trate la generación y el transporte de calor en estos materiales híbridos, pudiendo ser éstos aspectos esenciales para el correcto funcionamiento de distintas tecnológicas cuánticas. Esta tesis, por tanto, se centra en la investigación de los efectos de calentamiento y enfriamiento (propiedades térmicas) en dichos dispositivos híbridos.
Más concretamente, nuestro trabajo introduce una técnica novedosa denominada "espectroscopía por efecto Joule", la cual, a través de medidas de transporte eléctrico, detecta una transción del estado superconductor al normal debido a efectos de calentamiento Joule. Además de presentar su principio de funcionamiento básico, también discutiré las diferentes aplicaciones que hemos encontrado para esta técnica, –concretamente aplicada a nanohilos semiconductores de InAs recubiertos epitaxialmente por una capa continua de aluminio (superconductor), y en el régimen de Little-Parks–.
En primer lugar se demuestra que la espectroscopía Joule puede implementarse como una poderosa herramienta de caracterización de los elementos superconductores en un dispositivo híbrido, proporcionando una rápida "huella" del dispositivo, algo que es especialmente útil debido a la gran variabilidad de un dispositivo a otro. Así, somos capaces de revelar diferencias en las longitudes de coherencia superconductora, estudiar la homogeneidad de la capa epitaxial y descubir el efecto de proximidad superconductora inversa. Además, nuestro trabajo pone de manifiesto la existencia cuellos de botella significativamente altos para el transporte térmico en los dispositivos híbridos. También se muestra en esta tesis cómo ésta técnica permite distinguir nítidamente entre diferentes mecanismos de enfriamiento para distintos elementos superconductores del material híbrido a la temperatura crítica del superconductor. Por un lado, encontramos que el mecanismo principal de enfriamiento para superconductores conectados a tierra se da por difusión de quasiparticulas, mientras que superconductores flotando (islas superconductoras) es el acoplamiento electrón-fonón el mecanismo principal de enfriamiento, lo que demuestra que las islas son particularmente susceptibles a efectos de calentamiento.
Finalmente, abordamos la cuestión de si la espectroscopía Joule puede utilizarse para obtener información sobre la densidad de estados de los superconductores en un dispositivo híbrido.
En conjunto, este trabajo representa un paso más hacia la comprensión de las propiedades de transporte térmico en dispositivos híbridos superconductorsemiconductor, lo que podría contribuir a su adaptación, optimización y escalabilidad en el campo de las tecnologías cuánticas
- English
The last decade has witnessed an intensive exploration of hybrid superconductorsemiconductor nanostructures, which offer highly tunable platforms with great potential for quantum technology applications. This thesis focuses on the investigation of heating effects in such hybrid structures. While there are only a few works addressing heat transport in these systems, the consequences can be important considering the high sensitivity of related devices to increased temperatures.
Our work introduces a novel technique dubbed "Joule spectroscopy", which detects the Joule effect-driven transitions of superconducting parts of a device to the normal state by means of transport measurements. In addition to presenting its basic working principle, I will also discuss our development of different applications for the technique, while applying it to devices based on full-shell InAs-Al nanowires operating in the Little-Parks regime.
First, I will show that Joule spectroscopy can be used as a powerful characterization tool for the different superconducting elements of a hybrid device, providing a device "fingerprint", which is particularly useful owing to the significant variability in fabricated devices. We unveil differences in the superconducting coherence lengths, inhomogeneous coverage of the epitaxial shell, and the inverse superconducting proximity effect. In addition, our work underscores the existence of severe heat bottlenecks in hybrid devices. Moreover, I show how Joule spectroscopy enables to discriminate between different cooling mechanisms for distinct superconducting elements in a device. At the superconducting transition temperature, we find that the main cooling mechanism for grounded and floating superconductors is quasiparticle diffusion and electron-phonon coupling, respectively, which demonstrates that floating superconductors are particularly susceptible to heating. Finally, we address whether Joule spectroscopy can be used to gain insights into the density of states of superconductors in a hybrid device.
Altogether, this work advances our understanding of thermal transport in hybrid superconductor-semiconductor devices, which will contribute to their more reliable and optimized integration into quantum technologies.
