Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Diego Subero Rengel

Väitöskirjan nimi: Quantum transport and phase transitions in superconducting systems

Tohtoriopiskelija: Diego Subero Rengel
Vastaväittäjä: professori Manuel Houzet, CEA Grenoble, Ranska
Kustos: professori Jukka Pekola, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Kvanttikuljetusilmiöt ja faasimuunnokset suprajohtavissa systeemeissä 

Tämä väitöskirja keskittyy sähkövarauksen- ja lämmönkuljetukseen mesoskooppisissa systeemeissä painottuen Coulombin saartoilmiön vaikutuksiin matalissa lämpötiloissa. Väitöskirjassa käsitellään Coulombin saartoilmiön lisäksi sähkömagneettisen ympäristön vaikutusta tunneloitumiseen ja molempien ilmiöiden vaikutusta bolometrisiin mittauksiin suprajohtavissa piireissä.

Väitöskirjassa esitetään ja mitataan uhkapelidemoniksi nimetty Maxwellin demonin kokeellinen muunnelma. Tämän kokeen yhteydessä johdetaan ja osoitetaan kokeellisesti termodynamiikan toisen lain kaltaisia epäyhtälöitä, jotka ottavat huomioon ”uhkapelaamiseen” liittyvän keskimääräisen työn. Kokeellisessa todentamisessa käytetään kahta toisiinsa kapasitiivisesti kytkettyä yhden elektronin laatikkoa, joissa sähköstaattinen potentiaali määrittää elektronien tunneloitumisen metallisaarekkeelle.

Väitöskirjassa tutkitaan lämmönsiirtoa suprajohtavan piirin läpi käyttäen Johnson-Nyquist-tyyppistä perusmallia, jossa kaksi lämpökylpyä on kytketty toisiinsa taajuusriippuvaisella siirtolinjalla, jota ohjataan joko sähkö- tai magneettikentällä. Tässä kokeessa saavutetaan fotonisen lämmönjohtavuuden hyvin tarkka hallinta lähellä kvanttirajaa. Tämän ohella tutkitaan ympäristön takaisinvaikutusta fotonivälitteiseen lämmönsiirtoon, havaiten, että vaikka ympäristön tuottamat voimakkaat fluktuaatiot vaikuttavat varauksenkuljetukseen SQUID:n läpi odotetusti, niillä ei ole merkittävää vaikutusta lämmönkuljetukseen. Tämä osoittaa, että toisin kuin tasavirralla suoritetussa varauksenkuljetuskokeessa, Josephsonin ilmiö säilyy riippumatta dissipaation voimakkuudesta, mikä tukee Schmidin ja Bulgadaevin ennustaman dissipatiivisen faasimuunnoksen olemassaoloa.

Tässä yhteydessä esitetään tasavirralla suoritettuja varauksenkuljetusmittauksia jännitelähteeseen ohmisen vastuksen kautta kytketyn Josephsonin liitoksen läpi. Esitetyissä mittaustuloksissa vastuksen resistanssi on joko pienempi tai suurempi kuin kvanttiresistanssi RQ, mikä mahdollistaa Josephsonin liitoksen dissipatiivisen faasimuunnoksen tutkimisen. Väitöskirjan tutkimustulokset tukevat faasimuunnoksen olemassaoloa, mikä näkyy nollajännitteeseen sijoittuvana johtavuusminiminä, kun vastuksen resistanssi on suurempi kuin kvanttiresistanssi. Sitä vastoin kvanttiresistanssia pienempään vastukseen kytketyssä Josephson-liitoksessa nollajännite tuottaa johtavuushuipun, mikä on osoitus Josephsonin ilmiöstä.

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