Quantum-limited heat conduction over macroscopic distances

Abstract

Quantum mechanics sets a fundamental upper limit for single-channel heat conductance, known as the quantum of thermal conductance. In this thesis, the quantum of thermal conductance is experimentally investigated at macroscopic length scales for the first time. The studied system consists of two normal-metal islands connected by a superconducting transmission line.

The methods studied in this thesis can potentially be applied in the emerging field of quantum nanoelectronics as they provide a solution for remote temperature reduction of critical components. Photonic heat conduction is perhaps the only feasible option for efficiently transferring heat to a distant cold reservoir, which is vital for the operation of many quantum devices of practical interest.

We observe the photonic heat conduction to be the dominating heat conduction mechanism between the normal-metal islands. The experimental results support the theoretical model according to which the photonic heat conduction is close to the theoretical upper limit. The longest distance, over which the photonic heat conduction is observed in this thesis, is one meter, long enough for all current applications in quantum nanoelectronics.

Kvanttimekaniikan avulla voidaan johtaa lämmönjohtavuuskvanttina tunnettu yläraja yksittäisen kanavan lämmönjohtavuudelle. Tässä diplomityössä tutkitaan lämmönjohtavuuskvanttia kokeellisesti ensimmäistä kertaa makroskooppisessa mittakaavassa. Tutkittava systeemi koostuu kahdesta suprajohtavalla siirtolinjalla yhdistetystä normaalimetallisaarekkeesta.

Tässä työssä tutkittuja menetelmiä voidaan mahdollisesti soveltaa uudella kvanttinanoelektroniikan alalla, sillä ne mahdollistavat kriittisten komponenttien jäähdyttämisen etäältä. Fotonien aiheuttama lämmönjohtavuus on kenties ainoa käypä vaihtoehto tehokkaaseen kylmäsäiliöön tapahtuvaan lämmönsiirtoon, joka on välttämätöntä monien kvanttimekaanisten laitteiden toiminnan kannalta.

Työssä havaitaan fotonien aiheuttaman lämmönjohtavuuden olevan hallitseva lämmönsiirtymismekanismi normaalimetallisaarekkeiden välillä. Kokeelliset tulokset tukevat teoreettista mallia, jonka mukaan fotonien aiheuttama lämmönsiirto on lähellä teoreettista ylärajaa. Pisin etäisyys, jonka yli fotonien aiheuttamaa lämmönsiirtoa havaitaan tässä työssä, on yksi metri, joka riittää kaikkiin nykyisiin sovelluksiin kvanttinanoelektroniikan alalla.