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000991063 1001_ $$0P:(DE-588)1340839741$$aSchmitt, Tobias Werner$$b0$$urwth
000991063 245__ $$aExploring proximity induced superconductivity in topological insulator based hybrid devices$$cvorgelegt von M.Sc. Tobias W. Schmitt$$honline
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000991063 3367_ $$0PUB:(DE-HGF)11$$2PUB:(DE-HGF)$$aDissertation / PhD Thesis$$bphd$$mphd
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000991063 502__ $$aDissertation, RWTH Aachen University, 2024$$bDissertation$$cRWTH Aachen University$$d2024$$gFak01$$o2024-04-23
000991063 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
000991063 5203_ $$aAls mögliche Plattform zur Realisierung von Majorana-Nullmoden (MZMs) stellt der supraleitende Nähe-Effekt eines s-wellenartigen Supraleiters (S) in den Oberflächenzuständen eines 3D topologischen Isolators (TI) ein attraktives Forschungsfeld dar, das sowohl vom Interesse an der Existenz dieser nicht-Abelschen Moden sowie von ihrer vorhergesagten Anwendung für fehler-tolerantes Quantenrechnen angetrieben wird. Während in vorherigen Untersuchungen von S-TI Bauelementen bereits von experimentellen Signaturen berichtet wurde, die mit unkonventioneller induzierter Supraleitung und MZMs in Verbindung gebracht wurden, ist weitere Forschung zum Untermauern dieser Ergebnisse und zur Verbesserung des technologischen Reifegrads der S-TI Plattform erforderlich. Diese Dissertation trägt zu diesem Forschungsfeld durch die Realisierung und Charakterisierung von S-TI Bauelementen basierend auf TIs der Tetradymitgruppe bei, welche mithilfe von Molekularstrahlepitaxie (MBE) gewachsen werden. Zur möglichst sauberen Fabrikation dieser S-TI Bauelemente wurde in dieser Arbeit ein skalierbarer Prozess im Ultrahochvakuum (UHV) verwendet. Dieser Prozess, der selektives Wachstum von TIs mit Metallisierungen durch Schattenmasken vereint, wurde im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt, um den experimentellen Anforderungen der entsprechenden Bauelemente gerecht zu werden. Zunächst wird in dieser Arbeit, motiviert durch kürzlich erschienene Vorschläge zur Detektion von MZMs mithilfe von Schaltkreis-Quantenelektrodynamik (cQED), die Integration von TI Nanobändern in supraleitende Qubit-Schaltkreise demonstriert. Um dielektrische Mikrowellenverluste in diesen Qubits zu vermeiden, wurde eine lokale Schattenmaske entwickelt und damit eine erste Generation von supraleitenden Transmon Qubits basierend auf (Bi,Sb)$_2$Te$_3$ Nanobändern hergestellt. In der Charakterisierung dieser Bauelemente werden Qubit Frequenzen im gewünschten Transmon-Bereich gezeigt und kohärente Qubitkontrolle sowie zeitliche Quantenkohärenz demonstriert. Dies sind wichtige Grundlagen für zukünftige cQED Experimente basierend auf S-TI Hybrid-Qubits. Des Weiteren wird die Untersuchung der nähe-induzierten Supraleitung in diesen TI Nanobändern durch Transportspektroskopie-Experimente behandelt. Die entsprechenden Bauelemente wurden dafür in einem umfangreichen Schattenmasken-Prozess mit mehreren Schritten hergestellt, der die Fabrikation von zusätzlichen Barrieren und normalleitenden Kontakten im UHV ermöglicht. In elektrischen Transportexperimenten werden Signaturen der induzierten Supraleitung in (Bi,Sb)$_2$Te$_3$ Nanobändern gezeigt, darunter auch Leitfähigkeitsmerkmale bei niedriger Energie. Diese werden der induzierten Supraleitung in den störenden Bulkzuständen zugeschrieben und erschweren die Untersuchung der induzierten Supraleitung in den Oberflächenzuständen. Um dies in zukünftigen Experimenten zu umgehen, wird eine Optimierung für Bauelemente mit kürzeren Übergängen präsentiert. Diese Arbeit untersucht außerdem die Nutzung von Al als Supraleiter für UHV-fabrizierte TIs der Tetradymitgruppe, indem Josephson-Übergänge basierend auf Bi$_2$Te$_3$ charakterisiert werden. Als potentieller Ersatz für Nb bietet Al einige vorteilhafte Eigenschaften und könnte dazu beitragen S-TI Bauelemente zu verbessern. Da die Beschichtung von Bi$_2$Te$_3$ mit reinem Al keine induzierte Supraleitung ermöglicht, wurde die Grenzfläche durch die Verwendung dünner Zwischenschichten von 3 nm Nb, Pd, Pt oder Ti optimiert. Die Verbesserung der Qualität der Grenzschicht in entsprechenden Josephson-Kontakten wird durch die Beobachtung von Supraströmen, Überschuss-Strömen und subharmonischen Lückenstrukturen demonstriert. Diese Signaturen werden auch für einen qualitativen Vergleich der Zwischenschichten genutzt. Ebenfalls wird eine anormale Temperaturabhängigkeit der mehrfachen Andreev-Reflektionen diskutiert, die auf verschiedene Anteile von Bulk- und Oberflächenzuständen im Transport hinweisen könnte.$$lger
000991063 520__ $$aAs a proposed platform to realize elusive Majorana zero modes (MZMs), the superconducting proximity effect of an s-wave superconductor (S) in the surface states of a 3D topological insulator (TI) forms an attractive field of research driven by both, the fundamental interest in the mere existence of these non-Abelian modes and their envisioned application for fault-tolerant quantum computing. While prior research on several S-TI hybrid devices has already found experimental signatures which are assumed to be related to the unconventional induced superconductivity and MZMs, extensive experimental work is required to reinforce this interpretation and enhance the technological readiness of the S-TI platform. This thesis contributes to this field of research by exploring the realization and characterization of S-TI hybrid devices based on molecular beam epitaxy (MBE) grown tetradymite TIs. For a pristine fabrication of the respective S-TI hybrid devices, this work relies on a scalable ultra-high vacuum (UHV) process. This fabrication technique, which combines selective area growth of TIs and stencil lithography metallization, is further developed in the scope of this thesis to meet the experimental requirements of the respective devices. At first, the integration of topological insulator nanoribbons in superconducting qubit circuits is showcased which is motivated by recent proposal for the detection of MZMs via circuit quantum electrodynamic (cQED) techniques. In order to mitigate dielectric microwave losses in these qubits a local stencil lithography approach is developed. Using this process, a first generation of superconducting transmon qubits based on (Bi,Sb)$_2$Te$_3$ nanoribbons is fabricated. The characterization of these devices finds qubit frequencies tuned by fabrication to the desired transmon regime and yields coherent qubit control and temporal quantum coherence. Thus, important capabilities for future cQED experiments based on S-TI hybrid qubit devices are demonstrated. In these TI nanoribbons, the proximity-induced superconductivity is moreover investigated in transport spectroscopy experiment. The respective devices are fabricated via an extensive multi-step stencil lithography process, which allows for the additional UHV fabrication of the required barriers and normal probes. In electrical transport experiments, signatures of the induced superconductivity in the (Bi,Sb)$_2$Te$_3$ nanoribbons are found, including low energy conductance features assigned to the induced superconductivity in spurious bulk states. These features hamper the analysis of the proximity effect in the surface states. For a mitigation in future experiments, device optimizations are presented to enable junctions in an effectively shorter limit. This thesis further studies the general use of Al as parent superconductor for UHV fabricated tetradymite TIs via the characterization of Josephson junction based on the binary TI Bi$_2$Te$_3$. As a potential substitute for Nb, Al offers some advantageous characteristics and could thus help to improve S-TI hybrid devices. While the application of pure Al on Bi$_2$Te$_3$ is found to inhibit induced superconductivity, thin interlayers of 3 nm Nb, Pd, Pt, or Ti are applied for an optimization of the interface. With the finding of supercurrents, excess currents, and subharmonic gap structures on respective Josephson junctions, all interlayers demonstrate to improve the interface quality. These junction characteristics are analyzed for a qualitative comparison of the interlayers. This discussion also covers an observed anomalous temperature dependence of the multiple Andreev reflections, which is assigned to distinct transport contributions from bulk and surface states.$$leng
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