Temperature fluctuations and heat transport in nanoelectronics

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2012-05-25
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2012
Department
O.V. Lounasmaa -laboratorio
O.V. Lounasmaa Laboratory
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
118
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 64/2012
Abstract
In metallic structures at very low temperatures heat and energy are carried mostly by electrons. When these structures are small, with dimensions of the order of nanometers, many kinds of quantum phenomena become significant. The combination of heat transport with these effects, with a special focus on the random fluctuations of temperature in these systems, is the topic of this Dissertation. Using quantum transport theory, we have studied the flow of heat and charge in some prototypical nanoelectronic systems, e.g., single-electron transistor and superconductor-normal metal tunnel structure. We have devised a powerful theoretical method for the calculation of probability distributions of fluctuating quantities, especially temperature, and used it to find cases where the statistics of these fluctuations becomes non-Gaussian. We have also shown how the fluctuations of temperature affect the fluctuations of the electric current. In some cases the temperature-fluctuation induced current noise can be orders of magnitude larger than the intrinsic shot noise of the system. We also address the possibility to detect these fluctuations by monitoring the induced current noise.

Hyvin matalaan lämpötilaan jäähdytetyissä metallirakenteissa lämpöä kuljettavat pääasiassa elektronit. Kun nämä rakenteet ovat pieniä, nanometrien kokoluokkaa, monenlaiset kvantti-ilmiöt ovat merkittäviä. Tämän väitöskirjan aiheena on näiden kvantti-ilmiöiden vaikutus lämmön kuljetukseen ja erityisesti niiden vaikutus lämpötilan satunnaisvaihteluihin. Olemme tutkineet lämmön ja varauksen kuljetusta kvanttikuljetusteoriaa käyttäen muutamissa tyypillisissä nanoelektroniikan rakenteissa, esimerkiksi yksielektronitransistorissa ja suprajohde-normaalimetalli tunneliliitoksessa. Olemme kehittäneet tehokkaan teoreettisen menetelmän lämpötilan ja muiden suureiden todennäköisyysjakaumien laskemiseen ja etsineet sen avulla tapauksia, joissa näiden suureiden satunnaisvaihteluiden statistiikka ei noudata normaalijakaumaa. Olemme myös näyttäneet miten lämpötilan satunnaisvaihtelut vaikuttavat sähkövirran kohinaan. Joissain tapauksissa lämpötilan satunnaisvaihteluiden aikaansaama virtakohina voi olla kertaluokkia suurempi kuin johtimen normaali raekohina. Tutkimme myös miten lämpötilan satunnaisvaihtelut voitaisiin havaita seuraamalla niiden aikaansaamaa sähkövirran kohinaa.
Description
Supervising professor
Törmä, Päivi, Prof.
Thesis advisor
Heikkilä, Tero, Dr.
Keywords
temperature fluctuations, heat transport, noise, lämpötilan satunnaisvaihtelut, lämmönkuljetus, kohina
Other note
Parts
  • M. A. Laakso, T. T. Heikkilä, and Yuli V. Nazarov. Fully Overheated Single-Electron Transistor. Physical Review Letters, Volume 104, Number 19, 196805, May 2010. © 2010 American Physical Society (APS). By permission. [article1.pdf]
  • M. A. Laakso, T. T. Heikkilä, and Yuli V. Nazarov. Giant current fluctuations in an overheated single-electron transistor. Physical Review B, Volume 82, Number 20, 205316, November 2010. © 2010 American Physical Society (APS). By permission. [article2.pdf]
  • M. A. Laakso, T. T. Heikkilä, and Yuli V. Nazarov. Manifestly non-Gaussian fluctuations in superconductor-normal metal tunnel nanostructures. Physical Review Letters, Volume 108, Number 6, 067002, February 2012. © 2012 American Physical Society (APS). By permission. [article3.pdf]
  • M. A. Laakso, T. T. Heikkilä, and Yuli V. Nazarov. Theory of temperature fluctuation statistics in superconductor-normal metal tunnel structures. Physical Review B, April 2012. © 2012 American Physical Society (APS). By permission. [article4.pdf]
  • J. Voutilainen, M. A. Laakso, and T. T. Heikkilä. Physics of proximity Josephson sensor. Journal of Applied Physics, Volume 107, Number 6, 064508, March 2010. © 2010 American Institute of Physics (AIP). By permission. [article5.pdf]
  • M. A. Laakso, P. Virtanen, F. Giazotto, and T. T. Heikkilä. Nonequilibrium characteristics in all-superconducting tunnel structures. Physical Review B, Volume 75, Number 9, 094507, March 2007. © 2007 American Physical Society (APS). By permission. [article6.pdf]
Citation