Nanocircuits with superconductivity: Nonequilibrium studies
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2012-05-18
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2012
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
116
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 60/2012
Abstract
This thesis concerns low-temperature nanoelectronics and, in particular, nonequilibrium phenomena which come about when the concept of temperature loses its significance in nanoscale electric circuits. Under more conventional circumstances, these nonequilibrium phenomena are smothered by thermal motion or die away at large scale but they become essential for a field that is looking for applications in structures smaller than one micron, at temperatures lower than one degree above the absolute zero. The appearance of superconductivity - the technologically-interesting phenomenon of dissipationless transport of electric current - precisely at low temperatures further boosts the chance of finding these applications. With my collaborators, I consider five different types of setups where nanoconductors are coupled to superconducting electrodes in typical low-temperature operating conditions which lead to the formation of a nonequilibrium state. Using the established theoretical methods of the field, I estimate how the nonequilibrium state affects the properties of the conductor, for example, in metallic conductors which have acquired superconducting properties due to superconducting proximity effect and in graphene, a one-atom thick film of carbon. As a result of our work, it is possible to predict in detail when nonequilibrium phenomena should become observable. These phenomena include rectification of electric current and the enhancement of supercurrent due to incoherent noise in the electromagnetic environment of the conductor. In particular, our studies imply that the effect of the nonequilibrium state in actively-researched radiation detectors based on electron heating has been so far underestimated, whereas in graphene the equilibrium state is preserved under more extreme conditions than would be expected from the behavior of metallic conductors of the same size. Nevertheless, we observe that the the nonequilibrium phenomena bring about significant effects in all the studied setups which means that these phenomena must be taken into account when designing any applications in the field of low-temperature nanoelectronics.Tämä väitöskirja käsittelee matalien lämpötilojen nanoelektroniikkaa ja erityisesti epätasapainoilmiöitä, jotka tulevat esiin kun lämpötilan käsite menettää nanomittakaavan virtapiireissä merkityksensä. Nämä epätasapainoilmiöt peittyvät tavanomaisemmissa olosuhteissa lämpöliikkeen alle tai vaimenevat suuressa mittakaavassa merkityksettömiksi, mutta ne muodostuvat keskeisiksi alalla, joka etsii sovellusmahdollisuuksia alle mikrometrin kokoluokkaa olevista rakenteista ja matalimmillaan asteen murto-osan absoluuttisen nollapisteen yläpuolella olevista lämpötiloista. Sähkövastuksen katoamiseen johtavan ja siten myös teknologisesti kiinnostavan ilmiön, suprajohtavuuden, esiintyminen juuri matalissa lämpötiloissa lisää entisestään näitä mahdollisuuksia. Tarkastelen yhteistyökumppaneitteni kanssa viittä erilaista suprajohteisiin kytkettyä nanojohdinta tyypillisissä matalan lämpötilan toimintaolosuhteissa, jotka johtavat epätasapainotilan muodostumiseen. Alalla vakiintuneita teoreettisia menetelmiä käyttämällä arvioin, miten epätasapainotila muuttaa johtimen ominaisuuksia muun muassa suprajohtavan läheisilmiön vaikutuksesta osin suprajohtavia piirteitä sisältävissä metallijohteissa sekä yhden atomin paksuisesta hiilikalvosta muodostuvassa grafeenissa. Työn tuloksena on mahdollisuus ennustaa yksityiskohtaisesti, milloin eri nanojohtimissa tulisi näkyä epätasapainoilmiöitä kuten sähkövirran tasasuuntausta tai sähkömagneettisen ympäristön satunnaiskohinasta aiheutuvaa supravirran voimistumista. Erityisesti aktiivisena tutkimuskohteena olevien, elektronien lämmittämiseen perustuvien säteilyilmaisimien osalta epätasapainon vaikutus on tutkimukseni mukaan aliarvioitu, kun taas grafeenissa tasapainotilan rikkominen on vaikeampaa kuin samankokoisten metallijohtimien käyttäytymisestä voisi odottaa. Yleisesti ottaen havaitsemme epätasapainoilmiöillä olevan merkittävä vaikutus kaikissa tutkimissamme kohteissa, mikä tarkoittaa, että ne on myös otettava huomioon mahdollisia matalan lämpötilan nanoelektroniikan sovelluksia suunniteltaessa.Description
Supervising professor
Nieminen, Risto, Prof.Thesis advisor
Heikkilä, Tero, Dr.Keywords
nanoelectronics, superconductivity, nonequilibrium, nanoelektroniikka, suprajohtavuus, epätasapaino
Other note
Parts
- [Publication1]: Juha Voutilainen, Tero T. Heikkilä, and Nikolai B. Kopnin, Nonequilibrium phenomena in multiple normal-superconducting tunnel heterostructures, Physical Review B, 72, 054505 (2005). © 2005 American Physical Society (APS). By permission.
- [Publication2]: Nikolai B. Kopnin and Juha Voutilainen, Nonequilibrium charge transport in quantum SINIS structures, Physical Review B, 75, 174509 (2007). © 2007 American Physical Society (APS). By permission.
- [Publication3]: Juha Voutilainen, Matti A. Laakso, and Tero T. Heikkilä, Physics of proximity Josephson sensor, Journal of Applied Physics, 107, 064508 (2010). © 2010 American Institute of Physics (AIP). By permission.
- [Publication4]: Juha Voutilainen, Aurelién Fay, Pasi Häkkinen, Janne K. Viljas, Tero T. Heikkilä, and Pertti J. Hakonen, Energy relaxation in graphene and its measurement with supercurrent, Physical Review B, 84, 045419 (2011). © 2011 American Physical Society (APS). By permission.
- [Publication5]: Juha Voutilainen, Pauli Virtanen, and Tero T. Heikkilä, Absorption of heat into a superconductor-normal metal-superconductor junction from a fluctuating environment, eprint arXiv:1202.3358, 5 pages + 3 pages of supplementary information (2012). © 2012 by authors.
