Quantum coherence and mesoscopic fluctuations
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
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.
Authors
Date
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
50, [45]
Series
Dissertations of Laboratory of Physics, Helsinki University of Technology, 149
Abstract
At low temperatures submicron-size structures may exhibit certain distinctive quantum features. These include, e.g., quantum interference effects, many-body correlation effects and different collective phenomena. At the borderline of the microscopic and macroscopic world resides a regime which is called mesoscopic. Mesoscopic systems are small enough to exhibit quantum coherent behavior, yet they contain a sufficiently large number of particles to allow a statistical description. Mesoscopic conductors may be considered as a realistic platform for information processing and future nanoelectronics since they allow for scalability and integration to larger circuits. The charge transfers through disordered mesoscopic conductors exhibit different kinds of variations referred as mesoscopic fluctuations, e.g., noise, universal conductance fluctuations, and higher-order fluctuations. Containing information on the physics of the transport phenomenon not contained in conductance, these phenomena provide a delicate way to probe quantum coherence in disordered structures. Moreover, mesoscopic fluctuations can be used as a test bench for conventional condensed matter theories. In this Thesis, mesoscopic fluctuations are studied in order to extend the existing theories for the fluctuation point of view, for example, for the superconducting proximity effect, reflectionless tunneling, and weak localization. When a normal metal is in contact with a superconductor, the superconducting proximity effect induces coherent correlations of electrons and holes in the former. Studying shot noise indicates that, in addition, the proximity effect induces anticorrelations between different electron-hole pairs in a normal metal. In this Thesis, for example, noise correlations in phase coherent normal-superconducting structures are investigated. In normal metals, weak localization behavior is considered. For example, a novel scaling relation for cumulants characterizing conductance fluctuations is found. The quantum coherent phenomena considered in this Thesis have been studied by using three different kinds of theoretical approaches: the quasiclassical Keldysh Green's function formalism, the random matrix theory, and a numerical scattering approach.Matalissa lämpötiloissa riittävän pienten rakenteiden kvanttimekaaniset koherentit ominaisuudet nousevat esiin. Tällaisia ovat esimerkiksi kvantti-interferenssi-, monihiukkas- ja erilaiset kollektiiviset ilmiöt. Mikroskooppisen ja makroskooppisen maailman välissä sijaitsee mesoskooppiseksi kutsuttu alue. Mesoskooppiset systeemit ovat tarpeeksi pieniä, jotta kvanttikoherentteja ilmiötä voi esiintyä. Toisaalta ne sisältävät riittävästi hiukkasia tilastollisen kuvauksen kannalta. Mesoskooppisten johteiden voidaan odottaa soveltuvan tulevaisuuden nanoelektroniikan käyttöön, sillä niistä koostuvia komponentteja on mahdollista liittää yhteen suuremmiksi virtapiireiksi. Epäjärjestyneissä mesoskooppisissa johteissa kuljetusilmiöitä kuvaavat suureet vaihtelevat aika- ja ensemble-keskiarvojensa ympärillä. Nämä mesoskooppisiksi fluktuaatioiksi kutsutut ilmiöt sisältävät informaatiota, jota ei ole esimerkiksi keskiarvoistetussa johtavuudessa. Tässä väitöskirjassa laajennetaan aiempia teorioita käsittelemään mesoskooppisia fluktuaatioita, esimerkiksi suprajohtavan läheisilmiön, heijastumattoman tunneloinnin ja heikon lokalisaation ilmiön yhteydessä. Joissakin tapauksissa mesoskooppiset fluktuaatiot tarjoavat myös uuden tavan testata olemassa olevia kondensoituneen aineen fysiikan teorioita. Suprajohteessa kiinni olevaan normaalimetalliin indusoituu suprajohtavan läheisilmiön vaikutuksesta elektronien ja aukkojen koherentteja korrelaatioita. Ns. raekohinan tutkiminen näyttää, että tämän lisäksi läheisilmiö indusoi normaalimetalliin erillisten elektroni-aukko -parien välisiä antikorrelaatioita. Tässä työssä on tutkittu esimerkiksi virran raekohinaa vaihekoherenteissa normaali-suprajohtavissa rakenteissa. Normaalimetalleissa on tarkasteltu esimerkiksi heikon lokalisaation ilmiötä, johon liittyen löydetään konduktanssifluktuaatioita kuvaaville kumulanteille uusi skaalauslaki. Kvanttikoherentteja ilmiötä on tässä työssä tutkittu käyttäen kolmea erilaista teoreettista lähestymistapaa: kvasiklassista Keldysh Greenin funktio -formalismia, satunnaisten matriisien teoriaa sekä numeerista sirontalähestymistapaa.Description
Supervising professor
Nieminen, Risto; Acad. Prof.Other note
Parts
- Markku P. V. Stenberg and Jani Särkkä, Higher-order mesoscopic fluctuations in quantum wires: Conductance and current cumulants, Physical Review B 74, 035327 (2006). [article1.pdf] © 2006 American Physical Society. By permission.
- Markku P. V. Stenberg, Pauli Virtanen, and Tero T. Heikkilä, Phase-dependent noise correlations in normal-superconducting structures, Helsinki University of Technology, Publications in Engineering Physics A, Report TKK-F-A852 (2007) (submitted for publication). [article2.pdf] © 2007 by authors and © 2007 American Physical Society. By permission.
- Markku P. V. Stenberg and Tero T. Heikkilä, Nonlinear shot noise in mesoscopic diffusive normal-superconducting systems, Physical Review B 66, 144504 (2002). [article3.pdf] © 2002 American Physical Society. By permission.
- Tero T. Heikkilä, Markku P. Stenberg, Martti M. Salomaa, and Colin Lambert, Thermopower in mesoscopic normal-superconducting structures, Physica B 284-288, 1862 (2000). [article4.pdf] © 2000 Elsevier Science. By permission.
- Ari T. Alastalo, Markku P. V. Stenberg, and Martti M. Salomaa, Response functions of an artificial Anderson atom in the atomic limit, Journal of Low Temperature Phy sics 134, 897 (2004). [article5.pdf] © 2004 by authors and © 2004 Springer Science+Business Media. By permission.