Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Elsa Mannila

Suprajohtavilla sähköpiireillä on sovelluksia muunmuassa äärimmäisen herkkinä säteilynilmaisimina sekä kvanttitietokoneiden rakennuspalikoina. Näissä laitteissa suprajohtavuus perustuu siihen, että matalassa lämpötilassa metallin elektronit pariutuvat Cooperin pareiksi, jolloin metallikappaleen elektroneja voidaan kuvata yhdellä kvanttimekaanisella aaltofunktiolla. Riittävän matalissa lämpötiloissa parittomia elektroneja ei pitäisi olla jäljellä lainkaan, mutta näitä niinkutsuttuja epätasapainokvasihiukkasia havaitaan kuitenkin kokeissa käytännössä aina. Vaikka kvasihiukkasia voi olla vain yksi miljardia Cooperin paria kohden, ne rajoittavat silti esimerkiksi suprajohtavista piireistä rakennettujen kvanttibittien suorituskykyä. 

Tässä väitöskirjassa on tutkittu suprajohteiden epätasapainokvasihiukkasia käyttämällä hyväksi yhden elektronin transistoreihin perustuvia varausdetektoreita, joilla voidaan havaita reaaliajassa yksittäisten elektronien tunneloituminen mesoskooppiselle alumiinisaarekkeelle ja sieltä pois. Väitöskirjassa pystyttiin laskemaan reaaliajassa, montako kvasihiukkasta alumiinisaarekkeella on, ja havaittiin saaren olevan täysin vailla kvasipartikkeleja jopa sekuntien ajan, mikä on monta suuruusluokkaa pidempään kuin suprajohtavien kvanttibittien operaatioihin kuluva aika. Väitöskirjassa on esitetty myös uudenlainen Cooperin pareja rikkovaa säteilyä havaitseva ilmaisin, jossa jokaista rikkoutunutta Cooperin paria kohden ilmaisimen läpi kulkee yksi elektroni. Lisäksi väitöskirjassa on parannettu varausdetektorien suorituskykyä sekä käytetty niitä myös stokastisen termodynamiikan tutkimuksessa.  

Tutkimuksen tuloksena on saatu uutta tietoa Cooperin pareja rikkovista eli kvasihiukkaseksitaatioita synnyttävistä prosesseista: kun varausdetektorin vaikutus on minimoitu, Cooperin parien hajoamisnopeus laski useiden viikkojen ajan, mikä sulkee pois aiemmin esitetyt epätasapainohiukkasten aiheuttajat. Tutkimustuloksia voidaan hyödyntää suprajohtavien laitteiden parantamisessa.

Vastaväittäjä on professori William D. Oliver, Massachusetts Institute of Technology, Yhdysvallat

Kustos on professori Jukka Pekola, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Väitöstilaisuus järjestetään etäyhteydellä Zoomissa sekä kampuksella. Linkki tilaisuuteen

Zoom pikaopas

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

Elektroninen väitöskirja (aaltodoc.aalto.fi)