Induced superconductivity in nanoassembled suspended carbon nanotube quantum dot circuits

Eine defektfreie, frei hängende Kohlenstoffnanoröhre (CNT) bietet eine herausragende Plattform, um langlebige Quantenzustände zu erforschen und ein breites Spektrum von Phänomenen der Festkörperphysik zu untersuchen, wie beispielsweise die Kopplung zwischen elektronischem Transport und Nanomechanik. Eine der zentralen Herausforderungen besteht in der Integration der Nanoröhre in den elektrischen Schaltkreis. Zur Lösung dieses Problems verwenden wir die fortschrittliche Nanoassemblierungstechnik, bei der das CNT im letzten Schritt mechanisch auf die vorgefertigten Schaltkreise transferiert wird. ... mehrDieses Verfahren resultiert in extrem sauberen, hochqualitativen CNT-Quantenschaltkreisen, wobei das CNT sehr präzise im Schaltkreis platziert werden kann. Jedoch beschränkten hohe CNT-Metall-Kontaktwiderstände bisher den Bereich möglicher Experimente auf das geschlossene Quantenpunktregime. In dieser Dissertation überwinden wir diese Einschränkung durch die Entwicklung einer neuartigen Kontaktverbesserungstechnik. Der resultierende transparente CNT-Metall-Kontakt ermöglicht es, das offene Quantenpunktregime zu erreichen, was durch Messungen von Fabry-Pérot-Interferenzen gezeigt wird. Darüber hinaus konnten durch die Integration von supraleitenden Kontakten CNT-basierte Josephson-Kontakte realisiert werden, die induzierte Supraströme größer als 3$\,$nA aufweisen. Zudem konnte die erfolgreiche Implementierung eines supraleitenden Quanteninterferometers (SQUID) mit zwei parallelen Josephson-Kontakten aus demselben CNT demonstriert werden. Das frei hängende CNT-SQUID ermöglicht präzise Messungen des magnetischen Flusses, der sowohl durch Variationen des Magnetfeldes als auch durch mechanische Auslenkung des CNTs und damit einhergehender Veränderung der SQUID-Fläche moduliert werden kann. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für eine Vielzahl von Experimenten, einschließlich der präzisen Messung von Einzelmolekülmagneten und der Untersuchung von optomechanischer Kopplung innerhalb eines CNT-SQUIDs, das in einen Mikrowellenresonator integriert ist.

A pristine suspended carbon nanotube (CNT) provides an exceptional platform for exploring long-lived quantum states and investigating a broad spectrum of condensed matter physics phenomena, such as the coupling between electronic transport and nanomechanics. A key challenge lies in the integration of the nanotube into the electrical circuit. To address this, we use the advanced nanoassembly technique, in which the CNT is mechanically transferred onto the pre-fabricated electrical circuits at the final stage, yielding ultraclean, high-quality CNT quantum circuits with precise nanotube positioning. ... mehrHowever, high CNT-metal contact resistances previously restricted the range of possible experiments to the closed quantum dot regime. In this thesis, we could overcome this limitation by developing a novel contact improvement technique. The resulting transparent CNT-metal interface allows us to reach the open quantum dot regime, as demonstrated by measurements of Fabry-Pérot interferences. Additionally, by incorporating superconducting contacts, nanotube-based Josephson junctions could be realized with proximity-induced supercurrents higher than 3$\,$nA. Furthermore, with two parallel Josephson junctions fabricated from the same CNT, the successful implementation of a suspended CNT superconducting quantum interference device (SQUID) could be demonstrated. The suspended CNT-SQUID enables precise magnetic flux measurements that can be modulated both by variations in the magnetic field and mechanical displacements of the CNT, which alter the SQUID area. This opens up new possibilities for a wide range of experiments, including the precise measurement of single-molecule magnetism and the investigation of optomechanical coupling within a CNT-SQUID integrated into a microwave cavity.