Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Ville Pyykkönen

Väitöskirjan nimi: Transport of interacting particles through a flat Bloch band: superconductivity and all-optical switching

Tohtoriopiskelija: Ville Pyykkönen
Vastaväittäjä: Prof. Antti-Pekka Jauho, Danmarks Tekniske Universitet, Tanska
Kustos: Prof. Päivi Törmä, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Litteät energiavyöt hilarakenteessa voivat muun muassa nostaa suprajohteiden lämpötiloja. Väitöskirjatyössä tarkastellaan litteiden vöiden kuljetusilmiöitä suprajohtavuuden ja täysin optisen kytkennän tapauksissa. 

Kiinteä aine koostuu atomeista. Useissa aineissa nämä muodostavat hilarakenteita. Elektronit liikkuvat hilassa kvanttimekaanisina aaltoina niin sanotun elektronivyörakenteen mukaisesti. Litteät vyöt ovat elektronivöitä, joissa elektronien välinen destruktiivinen interferenssi vangitsee ne muutaman atomin alueelle. Viimeaikaisen tutkimuksen valossa litteiden vöiden avulla voidaan muun muassa korottaa suprajohteiden toimintalämpötiloja. Suprajohtavuus on aineen olotila, jossa se johtaa sähköä ilman vastusta. Useimmat aineet ovat suprajohtavia ainoastaan todella kylmissä lämpötiloissa. Huoneenlämmössä toimiva suprajohde mahdollistaisi merkittäviä energiasäästöjä muun muassa sähkönsiirrossa. 

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan litteiden vöiden kuljetusilmiöitä. Tutkimuksen keskeinen havainto on, että litteillä vöillä keskenään vuorovaikuttavat hiukkaset kulkevat pareina, kun taas yksittäiset hiukkaset pysyvät paikallaan. Esimerkiksi suprajohtavuus aiheutuu kahden elektronin muodostamista Cooperin pareista, jotka niin ikään kuljettavat häviötöntä supravirtaa litteillä vöillä. Kuittenkaan yksittäiset elektronit eivät pääse liikkumaan eli ne eivät kuljeta litteillä vöillä virtaa. Tavallisesti yksittäisten hiukkasten liike on haitallista suprajohtavuuden sovelluksille, joten litteät vyöt voivat olla eduksi niiden kehityksessä. 

Väitöskirjassa esitellään myös litteisiin vöihin perustuva täysin optinen kytkinperiaate. Optisten signaalien kytkentä on olennaista esimerkiksi optisessa tiedonsiirrossa. Yleensä kytkentä toteutetaan osittain elektronisesti, mistä aiheutuu energiahäviöitä. Esitelty litteisiin vöihin perustuva kytkinperiaate perustuu seuraavaan havaintoon: litteällä vyöllä voi liikkua vain fotonipareja, joten kytkimeen tuleva fotonit voi läpäistä sen ainoastaan parin täydentävä ohjausfotonin läsnä ollessa. Yhden fotonin kytkin toimii pienimmällä mahdollisella kytkentäenergialla. Työ avaa uusia tutkimussuuntia litteiden vöiden soveltamisessa fotoniikassa.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Yhteystiedot:

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52

Avainsanat: suprajohtavat kuljetusilmiöt, täysin optinen kytkentä, litteät vyöt, Hubbardin malli, epätasapainotilan Greenin funktiot