Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Aleksi Julku

Väitöskirjan nimi on “Superconductivity in geometrically and topologically nontrivial lattice models”.

Suprajohtavuus on ilmiö, jossa sähkövirta kulkee häviöttömästi, kun suprajohtava materiaali jäähdytetään tarpeeksi mataliin lämpötiloihin. Suurin haaste suprajohtavuuden tutkimisessa onkin ymmärtää, kuinka ilmiö mahdollisesti pystyttäisiin toteuttamaan huoneen lämpötilassa. Tämän tavoitteen saavuttaminen vaatii suprajohtavuuden perusteellista ymmärtämistä teoreettisella tasolla. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin teoreettisesti suprajohtavuutta erilaisissa kaksiulotteisissa Hubbardin hilamalleissa. Realistisia hilasysteemejä on atomien valtavien lukumäärien takia mahdotonta mallintaa tarkasti, sen sijaan Hubbardin malli on eräs yksinkertaisimmista monen kappaleen kvanttimalleista, jossa voi esiintyä fysikaalisesti merkittäviä ilmiöitä, kuten suprajohtavuutta, magnetismia ja topologista järjestystä. Hubbardin mallit ovat tärkeitä myös, koska niitä voidaan kokeellisesti tutkia ultrakylmien atomi- tai molekyylikaasujen avulla.

Väitöskirjassa käsitellään muun muassa hilamalleja, joissa esiintyy niin kutsuttuja tasaisia Blochin energiavyörakenteita. Tällaisilla vyörakenteilla tilatiheys on erittäin suuri, mikä puolestaan edistää suprajohtavan faasin muodostumista. Tasaisten energiavöiden suprajohtavuus on kuitenkin osittain epäintuitiivinen ilmiö, sillä elektronien efektiivinen massa voi olla äärettömän suuri, jolloin sähkövirran kulkeminen ei ole itsestään selvää. Väitöskirjassa osoitetaan, että tasaisten vyörakenteiden suprajohtavuus on seurausta systeemin kvanttitilojen geometrisista ominaisuuksista. Väitöskirjassa osoitetaan myös, että eksoottisia Fulde-Ferrell (FF) -supranestefaaseja voidaan stabiloida spin-ratavuorovaikutuksella ja että topologisia FF-tiloja voidaan havaita äärellisissä lämpötiloissa. Väitöskirjan tulokset tarjoavat uusia näkökulmia suprajohtavuuden ymmärtämiseen yleisellä tasolla ja niitä voidaan hyödyntää korkeissa lämpötiloissa toimivien suprajohteiden kehittämisessä.

Vastaväittäjänä professori Bogdan Andrei Bernevig, Princeton University, USA.

Kustos on professori Päivi Törmä, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos.

Väittelijän yhteystiedot: Aleksi Julku, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, p. 050 5707940, [email protected]

Elektroninen väitöskirja

Väitöskirja on julkisesti nähtävillä 10 päivää ennen väitöstä Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulun ilmoitustaululla Konemiehentie 2, Espoo.