Dispositivi Quantistici Superconduttivi a Singolo Elettrone - per applicazioni in metrologia quantistica e sensoristica: modello dettagliato e apparato di s

Single electron devices fascinate researchers in the field of nanotechnologies since the late 80s, with the first rudimentary experimental devices, and lately, as the concept of second quantum revolution keeps on gaining traction, the industry too is showing interest in this type of device, capable of control an electric current down, as the name says, to the single quantum of electric charge. The field originates with the basis of a theory that was, at the same time, explaining observations and proposing new and almost daring concepts and ideas. Lately, the theory got some upgrades, but researchers still use widely the orthodox approach to single electronics to ideate, design and characterize devices. With a rightfully critical eyes, single electron devices had not realized yet the fully potential envisioned in those first years, but it is not possible to deny that they still moved outside of the sterile laboratory environment to slowly colonize in the beginning of their maturity, the industry and other research. I started working on single electron devices during my bachelor's degree, when I came in contact, almost by accident, with a novel idea that perfectly represent the flexibility and vastness of options in designing and operating this type of devices, the SQUISET. Laying over a solid foundation of past research, it promised an intriguing working principle, capable of an electrostatic control, and an elegant exploitation of fundamental characteristics of superconductors to achieve what, in the field of turnstile devices, was obtained in the same manner for the previous twenty-past years. During my master's degree thesis I returned on those devices, with two years of physics worth of knowledge more, having built my curriculum focusing on quantum technologies and condensed matter physics. This allowed for a deeper analysis of the device. Coincidentally, a set of measurements on devices fabricated during my bachelor's degree were still showing a unexplained behaviour, that prompted a refinement of the model upon which the SQUISET theory puts its basis. In this thesis, even if starting with a two sided activity, including experimental and theoretical elements. I mostly focused on the simulation of the device, limiting the laboratory time. The resulting work started from a deeper understanding of the theoretical foundations of the theory, and shifted on a refinement and a slight modification of the previous model. Eventually, the result of the interpretation of the SQUISET as a couple of facing SQUIPT led to the conception of a novel sensor design, with interesting characteristic both in term of sensibility, with simulations suggesting comparable performances to state-of-the-art SQUIDs and in flexibility of usage, with many possible measurements set-up hence allowing for a wide set of possible placements in a real-world situation. The work done on the device led to the submission of the paper for the Applied Superconductivity conference to be held last year, and even to the complete writing of a paper, accepted by the journal IEEE Transactions on Applied Superconductivity. The work done on the SQUISET does not end with the present work. As laid out in the final chapters of the thesis, the developed framework for the model is ready for a time consuming simulation that is likely going to provide a definitive explanation of the behaviour observed in the experimental devices, allowing for an integration of thermal effect in the models.

I dispositivi a singolo elettrone affascinano il mondo della ricerca nel campo delle nanoscienze fin dai tardi anni 80, con i primi dispositivi sperimentali. Successivamente, con il crescente interesse dimostrato nei confronti di quella che viene definita seconda rivoluzione quantistica, anche l'industria ha iniziato a investigare le applicazioni di questi dispositivi capaci di controllare correnti elettriche fino al singolo quanto di carica. La ricerca in questo campo ha origine con lo sviluppo di una teoria che insieme spiegava le osservazioni sperimentali e proponeva nuovi concetti ed idee. Negli anni, la teoria fu oggetto di alcune revisioni, ma l'approccio originale, detto anche ortodosso resta ampiamente impiegato nell'ideazione, design e modellazione dei dispositivi. Oggettivamente, è giusto osservare che i dispositivi a singolo elettrone non hanno ancora dimostrato pienamente il loro potenziale, e parte delle applicazioni e performances immaginate nei primi anni di studio non sono ancora state raggiunte. È innegabile che essi stiano spostandosi al di fuori dei laboratori, introducendosi nell'industria e dimostrandosi utili come elementi di costruzione in altri campi di ricerca. Si può immaginare che questo sia solo l'inizio della loro maturità. Ho iniziato a lavorare sui dispositivi a singolo elettrone durante la mia tesi triennale, quando entrai in contatto con un dispositivo che nel suo essere innovativo rappresenta pienamente la flessibilità e il numero di opzioni che essi hanno in design e modo di funzionamento: lo SQUISET. Fondato su innovativi dispositivi sviluppati precedentemente, esso promette un intrigante funzionamento basato su un controllo elettrostatico delle cariche, che sfruttando alcune fondamentali proprietà dei superconduttori, porta una interessante modifica al modo con cui i dispositivi di tipo tornello hanno operato nei precedenti vent'anni. Nella mia tesi sono tornato a lavorare sullo SQUISET, sfruttando un corso di studi in cui ho prestato attenzione a computazione e informazione quantistica, e fisica della materia condensata. Ciò ha permesso un'analisi più dettagliata del dispositivo, collegatasi al mio precedente lavoro grazie ad un set di misurazioni eseguite su un campione da me fabbricato.. Il modello teorico dello SQUISET è stato oggetto di una interpretazione più profonda, a partire dai fondamenti, e successivamente oggetto di modifiche che cercano di tenere conto dei fenomeni osservati. Interpretare lo SQUISET come una coppia di SQUIPT connessi fra loro ha portato al concepimento di un nuovo design per un sensore con interessanti caratteristiche sia in termini di sensibilità, con simulazioni che riportano performances comparabili a quelle di SQUID allo stato dell'arte, sia in termini di flessibilità applicativa, essendo in grado di offrire varie modalità di misurazione come parte di altri esperimenti. Il lavoro sul dispositivo ha portato alla sottomissione di un poster per la conferenza Applied Superconductivity, prevista per lo scorso anno, e quindi anche alla sottomissione di un articolo, accettato dalla rivista IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Il lavoro fatto sullo SQUISET non è destinato ad arrestarsi. Come presentato nei capitoli finali della tesi, con lo sviluppo di un potente framework è stato preparato un set di simulazioni che potrebbero portare alla definitiva interpretazione del comportamento osservato sperimentalmente, introducendo effetti di trasporto di calore.