Väitös, teknillinen fysiikka, MSc Weijun Zeng

Väitöskirjan nimi: Low frequency noise in quantum devices based on graphene and superconducting cobalt disilicide

Väittelijä: Weijun Zeng 
Vastaväittäjä: Professori Dan Fleetwood, Vanderbilt University, Yhdysvallat 
Kustos: Professori Pertti Hakonen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

1/f-kohinan ymmärtäminen on kriittistä seuraavan sukupolven kvanttielektronisten laitteiden suorituskyvyn parantamiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan järjestelmällisesti 1/f-kohinan mekanismeja grafeeniin ja suprajohtavaan kobolttidisilisidiin CoSi₂ perustuvissa kvanttijärjestelmissä hyödyntäen grafeenista valmistettuja Corbinon kiekkoja, kineettisen induktanssin suprajohtavia kaviteetteja sekä Josephson-induktanssiin kytkettyjä järjestelmiä. 

Ensinnäkin, grafeenin 1/f-kohinaa selvitettiin tuomalla järjestelmään neon-adatomeja, soveltamalla kohtisuoria magneettikenttiä ja suorittamalla kohinan toisen spektrin analyysi. Tulokset osoittavat, että neonatomien diffuusio ja klusterituminen moduloivat merkittävästi kohinaprofiilia. Ratkaisevaa on, että data viittaa liikkuvuuden vaihteluiden (mobility fluctuations) – eikä niinkään varauksenkuljettajien tiheyden vaihteluiden – dominovan grafeenin 1/f-kohinaa. Samalla toisen spektrin analyysi vahvistaa mikrorakenteellisten fluktuaattoreiden väliset pitkäaikaiset korrelaatiot. 

Toiseksi, suprajohtavan CoSi₂:n kineettistä induktanssia tutkittiin mikroaaltokaviteeteilla, jotka kuvioitiin paksuudeltaan 10, 25, 60 ja 105 nm:n ohutkalvoista. Mitattu kineettinen induktanssi osoittaa BCS-teorian vastaista (non-BCS) potenssilakiriippuvuutta lämpötilasta. Lisäksi 25 nm:n kaviteetin 1/f-taajuusvaihteluissa havaitaan selkeä lämpötilasta riippuvainen kääntöpisteilmiö (pivoting feature), ja ne vaimenevat herätetehon (probing power) kasvaessa. 

Lopuksi taajuusvaihteluita mitattiin niobium-suprajohtavissa kaviteeteissa, joihin oli kytketty grafeenipohjainen Josephson-liitos (GJJ). GJJ:n integroiminen lisäsi laitteen kokonaiskohinaa verrattuna pelkkiin niobiumkaviteetteihin. Erityisesti havaitulta kohinalta puuttui hilajänniteriippuvuus (gate-voltage dependence), mikä viittaa siihen, että muut mekanismit kuin kriittisen virran vaihtelut dominoivat 1/f-kohinaa tutkitussa hybridijärjestelmässä. 

Nämä havainnot tarjoavat tärkeää tietoa niistä perustavanlaatuisista materiaalisista ja fysikaalisista tekijöistä, jotka rajoittavat kvanttilaitteiden koherenssia ja suorituskykyä.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.

Yhteystiedot:
Email: weijun.zeng@mail.sdu.edu.cn 
Linkedin: https://www.linkedin.com/in/weijun-zeng-27169822b