Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Alpo Välimaa

Akustiset värähtelytilat ovat kiehtovia järjestelmiä makroskooppisten mekaanisten värähtelijöiden kvanttialueen tutkimiseen. Nämä kollektiiviset värähtelyt tapahtuvat kidemateriaalin yhdensuuntaisten ja kiillotettujen pintojen välissä. Akustisten värähtelijöiden yhdistäminen kvanttipiireihin ja kvanttiakustisten hybridisysteemien tutkimus näyttävät erittäin lupaavalta, sillä tiloilla on poikkeuksellisen hyvät laatutekijät pienessä koossa mm:stä mikrometriin. Akustiset värähtelymoodit ovat tavallisesti riippumattomia sähköisestä dynamiikasta, joten käytämme pietsosähköisiä materiaaleja akustisten ja sähköisten värähtelyiden vuorovaikutuksen luomiseen.

Väitöskirjan ensimmäisessä osassa tutkimme keinoja parantaa matalataajuisen planokonveksisen monoliittisen kvartsivärähtelijän laatutekijää. Halkaisijaltaan 7 mm ja 250 um paksu värähtelijä koostuu yksikiteisestä pietsosähköisestä aineesta. Poistamalla kiinnityshäviöt ja käyttämällä kosketuksetonta etämittausta, saavutamme erittäin suuren laatutekijän 10^8 kryogeenisissä lämpötiloissa lähellä kvanttimekaanista perustilaa. Mittaustulosten lämpötilariippuvuuden ja siirtolinjateoriaan perustuvan Masonin mallin avulla mallinnamme lisäksi sähkömekaanisia kiinnityshäviömekanismeja erityisessä maadoitusasetelmassa.

Väitöskirjan jälkimmäisessä osassa kytkemme ylivärähtelyresonaattorin (HBAR) suprajohtavan transmon-kvanttibitin kanssa. Gigahertsitaajuisen äänivärähtelyn sähköinen aktivointi ja kytkentä HBAR:ssa perustuu mikrometrin paksuiseen pietsosähköiseen kerrokseen, joka on kasvatettu vähähäviöisen kidemateriaalin päälle. Resonanssitaajuuksilla ajetut värähtelyt voimistuvat akustisessa kaviteetissa, aivan kuin akustisessa instrumentissa sillä lisäyksellä, että näistä värähtelytiloista pientä osajoukkoa kuunnellaan kvanttibitin avulla. Korkeat laatutekijät ovat mahdollisia transmon-kvanttibitin korkeilla taajuuksilla yliäänitilojen myötä. Toisaalta, kytkennän voimakkuus järjestelmien välillä jakautuu lukuisten värähtelytilojen kesken. Mallinnan tätä kytkentää yksityiskohtaisesti järjestelmäparametrien suhteen, minkä perusteella vastaavien kvanttiakustisten laitteiden suunnittelua voidaan ohjata.

Vastaväittäjä on professori Yiwen Chu, ETH Zürich, Sveitsi

Kustos on professori Mika Sillanpää, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Väittelijän yhteystiedot: [email protected]

Väitöstilaisuus järjestetään kampuksella (Otakaari 1, sali A1).

Väitöskirja on julkisesti nähtävillä 10 päivää ennen väitöstä Aalto-yliopiston julkaisuarkiston verkkoriiputussivulla.

Elektroninen väitöskirja