Heat transport, fluctuations, and Maxwell's demon in electronic nanocircuits

Simple item page
dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorPekola, Jukka P., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.authorKoski, Jonne
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.labPICO-groupen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorPekola, Jukka P., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2016-04-12T09:01:28Z
dc.date.available2016-04-12T09:01:28Z
dc.date.defence2016-05-13
dc.date.issued2016
dc.description.abstractThe field of thermodynamics describes the properties of a system that is coupled to one or several heat baths. A new direction in the field is to investigate the thermodynamics at microscopic level, considering the stochastic evolution of individual system state trajectories. A thought experiment presented over 150 years ago, which is known as Maxwell's demon and apparently violates the Second law of thermodynamics, is currently investigated to assess the relation between information and energy. This thesis studies stochastic thermodynamics and Maxwell's demon experimentally in electronic nanocircuits. The first part of the thesis covers the basic thermodynamic concepts and recently discovered fluctuation relations. The original thought experiments of Maxwell's demon and Szilard's engine are presented, after which information in thermodynamics is discussed in more detail. Next, this thesis discusses heat transport in metallic nanoelectronic circuits. A superconductor, which ideally is an excellent thermal insulator, leaks heat in a direct contact to a normal metal due to a phenomenon known as inverse proximity effect. This thesis describes the measurement of this heat leak, and demonstrates how inverse proximity effect can be exploited to fabricate fully normal aluminum-based tunnel junctions. The remaining part of the thesis is about devices based on single-electron phenomena, and the experiments on stochastic thermodynamics presented here are based on them. An experimental setup based on a device known as a single-electron box is used to determine distributions of thermodynamic quantities, by which the fluctuation relations are tested experimental-ly in the case of multiple heat baths, and by which the general properties of the distribution are investigated as a function of temperature. Moreover, the setup is operated as a Szilard's engine, where one bit of information is used to extract energy equal to k_BT ln(2), where k_B is the Boltzmann constant and T is the temperature. Finally, heat transfer in single-electron devices is investigated at the level where the effect of heat generation is measurable as a change in temperature. The thesis shows how a device known as a single electron transistor can be operated to achieve local cooling. Furthermore, when such a device is coupled to a similar one, the setup realizes an autonomous Maxwell's demon. The presented experiment shows how the whole transistor cools down, however the coupled device (the demon) heats up corresponding to the information flow between them.en
dc.description.abstractTermodynamiikka kuvaa lämpökylpyyn kytketyn systeemin ominaisuuksia. Uusi tutkimuskohde on termodynamiikka mikroskooppisella tasolla, jossa systeemin tila kehittyy stokastisesti. Noin 150 vuotta sitten esitetty ajatuskoe, joka tunnetaan nimellä Maxwellin demoni ja joka näennäisesti rikkoo termodynamiikan toista pääsääntöä, on noussut merkittäväksi tutkimuskohteeksi kuvaamaan informaation ja energian välistä yhteyttä. Tässä väitöskirjassa tutkitaan kokeellisesti stokastista termodynamiikkaa sekä Maxwellin demonia nanoelektronisissa piireissä. Väitöskirjan alkuosa käsittelee termodynamiikan peruskäsitteitä sekä viimeaikoina esillenousseita fluktuaatiorelaatioita. Tämän jälkeen esitetään alkuperäinen ajatuskoe Maxwellin demonista ja Szilardin koneesta, minkä lisäksi syvennytään informaation asemaan termodynamiikassa. Seuraavaksi käsitellään lämmön siirtymistä metallisissa nanoelektronisissa piireissä. Erityisesti tutkitaan lämmön välittymistä suprajohteessa, joka ideaalitapauksessa toimii erinomaisena lämpöeristeenä, mutta suorassa kytkennässä normaaliin metalliin vuotaa lämpöä ns. käänteisen läheisilmiön vaikutuksesta. Tässä väitöskirjassa kuvataan kokeellinen toteutus jossa tämä lämpövuoto mitataan, ja lisäksi esitetään miten käänteistä läheisilmiötä hyödynnetään täysin normaalimetallisen alumiinipohjaisen tunneliliitoksen valmistamiseen. Väitöskirjan loppuosa käsittelee yhden elektronin ilmiöihin perustuvia laitteita, sekä niiden pohjalta toteutettuja stokastisen termodynamiikan kokeita. Yhden elektronin laatikoksi kutsuttuun laitteeseen perustuvalla koejärjestelyllä määritetään distribuutioita termodynaamisista suureista, joiden pohjalta testataan kokeellisesti fluktuaatiorelaatioita usean lämpökylvyn tapauksessa sekä distribuution yleisiä ominaisuuksia lämpötilan funktiona. Toisaalta koejärjestelyllä toteutetaan Szilardin kone, jossa yhden bitin sisältämän informaation avulla kerätään energiaa k_BT ln(2) verran, jossa k_B on Boltzmannin vakio ja T on lämpötila. Lopuksi tutkitaan lämmön siirtymistä yhden elektronin laitteissa mittaamalla lämpötilan muutoksia. Väitöskirjassa osoitetaan, että yhden elektronin transistoriksi kutsutulla laitteella saadaan aikaan jäähdytystä paikallisesti. Kun sama laite kytketään edelleen toiseen vastaavanlaiseen laitteeseen, toteutetaan ns. autonominen Maxwellin demoni. Esitetyssä kokeessa näytetään miten transistori jäähtyy mutta siihen kytketty laite (demoni) lämpenee vastaten informaatiovirtaa näiden välillä.fi
dc.format.extent104 + app. 94
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-6738-4 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-6737-7 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/20096
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-6738-4
dc.language.isoenen
dc.opnRitort, Felix, Dr., University of Barcelona, Spain
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: J. T. Peltonen, P. Virtanen, M. Meschke, J. V. Koski, T. T. Heikkila, and J. P. Pekola. Thermal Conductance by the Inverse Proximity Effect in a Superconductor. Physical Review Letters, 105, 097004 (4 pages), August 2010. DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.097004
dc.relation.haspart[Publication 2]: J. V. Koski, J. T. Peltonen, M. Meschke, and J. P. Pekola. Laterally proximized aluminum tunnel junctions. Applied Physics Letters, 98, 203501 (3 pages), May 2011. DOI: 10.1063/1.3590922
dc.relation.haspart[Publication 3]: J. V. Koski, T. Sagawa, O-P. Saira, Y. Yoon, A. Kutvonen, P. Solinas, M. Möttönen, T. Ala-Nissila, and J. P. Pekola. Distribution of Entropy Production in a Single-Electron Box. Nature Physics, 9, 10, 644-648, May 2013. DOI: 10.1038/nphys2711
dc.relation.haspart[Publication 4]: J. P. Pekola, J. V. Koski, and D. V. Averin. Refrigerator based on the Coulomb barrier for single-electron tunneling. Physical Review B, 89, 081309(R) (4 pages), February 2014. DOI: 10.1103/PhysRevB.89.081309
dc.relation.haspart[Publication 5]: J. V. Koski, V. F. Maisi, J. P. Pekola, and D. V. Averin. Experimental realization of a Szilard engine with a single electron. Proceedings of National Academy of Sciences, 111, 13786-13789, Septemember 2014. DOI: 10.1073/pnas.1406966111
dc.relation.haspart[Publication 6]: J. V. Koski, V. F. Maisi, T. Sagawa, and J. P. Pekola. Experimental Observation of the Role of Mutual Information in the Nonequilibrium Dynamics of a Maxwell Demon. Physical Review Letters, 113, 030601 (5 pages), July 2014. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.030601
dc.relation.haspart[Publication 7]: A. V. Feshchenko, J. V. Koski, and J. P. Pekola. Experimental realization of a Coulomb blockade refrigerator. Physical Review B, 90, 201407(R) (5 pages), October 2014. DOI: 10.1103/PhysRevB.90.201407
dc.relation.haspart[Publication 8]: M. Borrelli, J. V. Koski, S. Maniscalco, J. P. Pekola. Fluctuation relations for driven coupled classical two-level systems. Physical Review E, 91, 012145 (8 pages), January 2015. DOI: 10.1103/PhysRevE.91.012145
dc.relation.haspart[Publication 9]: I. M. Khaymovich, J. V. Koski, O.-P. Saira, V. E. Kravtsov, and J. P. Pekola. Multifractality of random eigenfunctions and generalization of Jarzynski equality. Nature Communications, 6, 7010 (6 pages), April 2015. DOI: 10.1038/ncomms8010
dc.relation.haspart[Publication 10]: J. V. Koski, A. Kutvonen, I. M. Khaymovich, T. Ala-Nissila, and J. P. Pekola. On-chip Maxwell’s demon as an information-powered refrigerator. Physical Review Letters, 115, 260602 (5 pages), December 2015. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.260602
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries61/2016
dc.revHuard, Benjamin, Dr., École Normale Supérieure, France
dc.revParrondo, Juan, Dr., Universidad Complutense de Madrid, Spain
dc.subject.keywordworken
dc.subject.keywordheaten
dc.subject.keywordentropyen
dc.subject.keywordinformationen
dc.subject.keywordMaxwell's demonen
dc.subject.keywordsingle-electron devicesen
dc.subject.keywordstochastic thermodynamicsen
dc.subject.keywordfluctuation relationsen
dc.subject.keywordtyöfi
dc.subject.keywordlämpöfi
dc.subject.keywordentropiafi
dc.subject.keywordinformaatiofi
dc.subject.keywordMaxwellin demonifi
dc.subject.keywordyhden elektronin laitteetfi
dc.subject.keywordstokastinen termodynamiikkafi
dc.subject.keywordfluktuaatiorelaatiotfi
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titleHeat transport, fluctuations, and Maxwell's demon in electronic nanocircuitsen
dc.titleLämmönsiirto, fluktuaatiot ja Maxwellin demoni nanoelektronisissa piireissäfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2016_04_12_klo_11_46
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526067384.pdf
Size:
2.6 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Download
Collections
[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI