Transport of interacting particles through a flat Bloch band: superconductivity and all-optical switching
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-02-02
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
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
125 + app. 63
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 18/2024
Abstract
In lattice models, destructive interference can lead to formation of localized states, which results in Bloch bands with a constant dispersion, called flat bands. Flat-band systems give a promising platform for high-temperature superconductivity. They also allow potential applications for signal control in electronics and photonics. In this dissertation, we study transport features of interacting fermions and bosons through systems possessing compactly localized flat-band states. We propose and investigate a two-terminal transport setup for studying these states in the context of flat-band superconductivity. Also, we propose a switching concept for photons based on localized states and their sensitivity to interactions. The dissertation consists of an introductory part and three publications, referred to as I, II, and III. The introductory part discusses the essential theoretical background, giving a brief review of the main results, their implications and outlook. The topics covered include a general introduction to flat Bloch bands, superconductive transport, and non-equilibrium Green's functions, with applications to two-terminal transport. In Publication I, we consider a two-terminal setup for studying localized flat-band states with interaction. Focusing on equilibrium transport via the Josephson effect, we show that connecting superconducting leads to the system allows a supercurrent to flow through flat-band states with on-site Fermi-Hubbard interaction. The critical current and critical temperature are found to be linear in interaction strength, a salient feature of the flat bands. We also consider a potential realization of the system in ultracold gases. In Publication II, we consider non-equilibrium superconductive transport through flat-band states with on-site Fermi-Hubbard interaction in the setup proposed in Publication I. The interactions are considered with a mean-field approximation. We solve the stationary state transport by the method of non-equilibrium Green's functions, showing that normal single-particle transport and transport via Andreev reflection and multiple Andreev reflection, involving quasiparticles, are quenched at the flat band. On the other hand, the AC Josephson effect of Cooper pairs is allowed. Hence, we find that pair transport through flat-band states is allowed while single quasiparticles remain localized. In Publication III, we propose an all-optical switching concept based on localized states. We demonstrate the concept with simple systems that have on-site Hubbard interaction. We show that the system allows switching a single photon by a single-photon control pulse, which is the fundamental quantum limit of minimal switching energy. Furthermore, the switching is allowed for arbitrarily small interaction. We also discuss experimental platforms for realizing the switch.Kvanttimekaanisen interferenssin seurauksena hiukkaset voivat jäädä loukkuun niin sanottuihin lokalisoituneisiin tiloihin. Hilamallien tapauksessa nämä tilat muodostavat litteiksi vöiksi kutsuttuja energiavöitä, joilla hiukkasten energia ei riipu hilaliikemäärästä. Litteät vyöt ovat lupaavia korkean lämpötilan suprajohtavuuden saavuttamista ajatellen, ja ne voivat tarjota uusia elektroniikan ja fotoniikan sovelluksia esimerkiksi signaalinkäsittelyyn. Tässä väitöskirjatyössä tutkitaan litteän vyön tilojen kuljetusilmiöitä suprajohtavuuden ja fotonisten systeemien tapauksissa teoreettisin keinoin. Suprajohtavaa kuljetusta tarkastellaan kahden elektrodin koeasetelmalla, jossa systeemiin liitettävät supra- tai normaalijohtavat elektrodit aikaansaavat virran sen läpi. Työssä esitellään myös lokalisoituneisiin tiloihin perustuva täysin optinen fotonikytkin.Väitöskirja koostuu johdannosta sekä kolmesta julkaisusta. Johdannossa esitellään työn taustalla olevaa teoriaa, aikaisempaa tutkimusta sekä työssä käytettyjä menetelmiä. Julkaisujen keskeisistä tuloksista tehdään yhteenveto sekä pohditaan niiden avaamia uusia tutkimussuuntia ja tieteellistä merkitystä. Julkaisussa I ja II tutkitaan vuorovaikuttavien hiukkasten kuljetusta litteän vyön tilojen kautta kahden elektrodin välillä. Hiukkasten välisiä vuorovaikutuksia kuvataan Fermi-Hubbardin mallilla, ja ne otetaan huomioon keskeiskenttäteorian tasolla. Hiukkasvirta määritetään epätasapainotilan Greenin funktioiden menetelmällä. Julkaisussa I tarkastellaan systeemiä tasapainotilassa, jolloin Josephsonin ilmiö voi aiheuttaa supravirran kahden suprajohtavan elektrodin välille. Tutkimuksessa havaitaan, että vuorovaikuttavat litteän vyön tilat voivat kuljettaa Josephsonin virtaa. Havaittu kriittinen Josephsonin virta sekä suprajohtava kriittinen lämpötila ovat suoraan verrannollisia vuorovaikutusvoimakkuuteen. Julkaisussa II puolestaan tarkastellaan epätasapainotilannetta, jossa systeemiin kytkettyjen elektrodien välillä on jännite. Osoittautuu, että eri kuljetuskanavista ainoastaan Josephsonin ilmiö kuljettaa virtaa, kun taas erilaiset kvasihiukkaskanavat, kuten suora kuljetus ja Andreevin heijastus, eivät kuljeta hiukkasia. Toisin sanoen supravirtaa kuljettavat Cooperin parit pääsevät liikkumaan, kun taas muita kuljetuskanavia käyttävät kvasihiukkaset jäävät loukkuun litteän vyön tiloihin. Julkaisussa III esitellään lokalisoituneisiin tiloihin perustuva täysin optinen kytkin, joka mahdollistaa yksittäisestä fotonista koostuvan signaalin kytkennän yhtä fotonia käyttäen. Kytkentä tapahtuu kvanttirajalla eli pienimmällä mahdollisella energialla. Esiteltyä kytkentäperiaatetta ja sen toimintaa havainnollistetaan käyttäen yksinkertaisia malleja, joissa fotonit vuorovaikuttavat Bose-Hubbardin mallin mukaisesti. Kytkin toimii myös pienillä vuorovaikutusenergioilla ilman alarajaa. Julkaisussa ehdotetaan myös erilaisia tapoja toteuttaa kytkin kokeellisesti.Description
Supervising professor
Törmä, Päivi, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Peotta, Sebastiano, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandSalerno, Grazia, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
superconductive transport, all-optical switching, flat band, Hubbard model, non-equilibrium Green's functions, suprajohtavat kuljetusilmiöt, täysin optinen kytkentä, litteä vyö, Hubbardin malli, epätasapainotilan Greenin funktiot
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Ville A. J. Pyykkönen, Sebastiano Peotta, Philipp Fabritius, Jeffrey Mohan, Tilman Esslinger, and Päivi Törmä. Flat-band transport and Josephson effect through a finite-size sawtooth lattice. Physical Review B, 103, 144619, April 2021.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202106027133DOI: 10.1103/PhysRevB.103.144519 View at publisher
-
[Publication 2]: Ville A. J. Pyykkönen, Sebastiano Peotta, and Päivi Törmä. Suppression of Nonequilibrium Quasiparticle Transport in Flat-Band Superconductors. Physical Review Letters, Featured in Physics, Editor’s Suggestion, 130, 216003, May 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308014591DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.216003 View at publisher
-
[Publication 3]: Ville A. J. Pyykkönen, Grazia Salerno, Jaakko Kähärä, and Päivi Törmä. All-optical switching at the two-photon limit with interferencelocalized states. Physical Review Research, 5, 043259, December 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401041130DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.043259 View at publisher
