Noise thermometry using a broadband radio-frequency measurement at low temperatures
저온에서의 광대역 무선주파수 측정을 이용한 잡음온도계 구현

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자연과학대학 물리·천문학부(물리학전공)
Issue Date
서울대학교 대학원
Noise thermometryRadio-frequency measurementShot noiseTunnel junctionDiode detector
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 물리·천문학부(물리학전공), 2012. 8. 김정구.
이 논문은 저온에서의 광대역 무선주파수 잡음 측정기술 개발에 관해서 기술한다. 특히, 이 기술은 광대역 잡음측정을 이용한 잡음온도계 구현에 이용되었다. 잡음온도계는 0.1 K에서 300 K까지의 온도영역에서 사용이 가능하다. 온도 의존적인 열적잡음과 전압 의존적인 산탄잡음을 발생시키는 금속 터널접합이 잡음원으로 사용되었다. 열적잡음으로부터는 터널접합에 있는 전자들의 온도에 관한 정보를 얻을 수 있고, 배경잡음은 산탄잡음을 이용하여 계산될 수 있다. 터널접합으로부터 나오는 매우 작은 잡음신호는 저온 저잡음 증폭기에 의해 증폭된 후 쇼키 다이오드 디텍터를 통하여 DC 전압으로 변환된다.

저온에서의 무선주파수 측정을 위해서 He4 프로브와 He3 냉동기, 희석냉동기와 같은 극저온 냉장 시스템에 실험장치를 구성하였다. 이 시스템은 두 개의 측정체인으로 이루어져 있다. 터널접합으로 전류를 흘리고 전압을 읽을 수 있는 DC 측정 체인이 있고, 터널접합에서의 RF 신호를 다이오드 디텍터로 전송하는 RF 측정 체인이 있다. 대부분의 금속은 저온으로 갈수록 열전도도가 낮아지기 때문에, 전자온도의 충분한 냉각을 위해서 RF 와 DC 측정 체인에 사용되는 부품들을 신중하게 조율하였다.

외부 무선잡음이 터널접합으로 들어오는 것을 막기 위한 필터링 작업을 통해서 잡음온도계의 정밀도가 개선되었다. 그리고 불완전한 터널접합에서는 비탄성 터널링 현상이 전자의 온도를 높게 보이도록 만든다는 결과를 얻게 되었다. 이 결과는 수치 모사실험을 통하여서 분석하였다.

마지막으로, 이 측정기술을 이용한 전자-포논 산란비 실험 계획을 소개한다.
This thesis presents the development of the broadband radio-frequency noise measurement techniques at low temperatures. Especially, these techniques were used to realize noise thermometry using broadband noise measurement. The noise thermometer can be usable in the temperature range from 0.1 K to 300 K. A metallic tunnel junction which generates temperature-dependent thermal noise and voltage-dependent shot noise is used as a noise source. From thermal noise we can get information about the temperature of the electrons in the tunnel junction and the background noise level can be calculated using shot noise. Very small noise signal from the tunnel junction is amplified by a cryogenic low noise amplifier and then detected by Schottky diode detector which converts broadband noise power into the DC voltage.

For a radio-frequency measurement at low temperatures we developed an experimental setup in cryogenic refrigeration systems like He4 probe, He3 cryostat, and dilution refrigerator. The system consists of two measurement chains. One of them, DC measurement chain, is used to apply currents and read the voltage across the tunnel junction. The other, RF measurement chain, is used to transmit RF signal from the tunnel junction to the diode detector. Because the thermal conductivity of most metals decreases with decreasing temperature, careful tuning of the RF and DC components is performed for sufficient cooling of the electron temperature.

By developing the filtering processes for preventing the external RF noise from reaching the tunnel junction, the precision of the noise thermometer was increased. And with an imperfect tunnel junction we got the result that an inelastic tunneling process can make the electron temperature look higher. This result was analyzed by using numerical simulation.

Finally, an experimental plan for the electron-phonon scattering rate using this measurement technique will be introduced.
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