From quantum metrology to applications
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2018-11-30
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
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
71 + app. 87
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 216/2018
Abstract
It is important that measurements produce predictable and reproducible results irrespective of time and location. This is enabled by the International System of Units (SI), which is realized through primary standards: devices that can either measure or produce a known value of a quantity without calibration against any other standard for quantity of the same kind. This thesis explores quantum standards for the ampere and the kelvin, and devices that are byproducts of this research or enablers for the devices spawning from it. Coulomb blockade thermometer (CBT) was investigated as a possible realization of the kelvin at low temperatures. We constructed a setup, where temperature could be determined through Boltzmann constant and traceable voltage measurements. The CBT was also compared to the PLTS-2000 temperature scale and to two other Boltzmann constant based primary thermometers. Two different quantum phenomena were studied in the context of the ampere: single-electron tunneling in superconductor -- insulator -- normal metal (NIS) junctions and quantum phase slips (QPS) in superconducting nanowires. We observed QPS in novel material: molybdenium silicide (MoSi). It has been theoretically predicted that high normal state resistivity would be beneficial for the QPS based current standard. This resistivity can be achieved in MoSi. Since the novel standards for the ampere would produce relatively small currents (up to nanoampere), low frequency noise can increase the measurement times from hours to weeks. On the other hand, high frequency noise can initiate unwanted tunnelings and degrade the accuracy of devices. The low frequency noise problems were tackled by proper cabling and two filters were characterized in the high frequency range by NIS based detectors. Finally we utilized the understanding of NIS systems, based on research aiming at realization of the quantum current standard, in two other applications: noise detectors and coolers. We demonstrated NIS-based cooling of a mm-scale object by silicon-aluminium junctions. The cooling was enabled by phonon transmission bottleneck. We also analyzed by simulations that electric cooling from 1.5 K to 100 mK is a realistic goal.On tärkeää, että mittaustulokset eivät riipu paikasta tai ajasta. Tämä varmistetaan käyttämällä kansainvälistä mittayksikköjärjestelmää (SI), joka on toteuteuttu primääristen mittanormaalien avulla. Nämä normaalit ovat laitteita, joilla voi mitata tai tuottaa mittayksikköä vastaavan suureen arvon, ja joita ei tarvitse kalibroita toista saman yksikön toteutusta vastaan. Tässä väitöskirjassa tutkittiin mahdollisuutta luoda kvanttimittanormaalit kelvinille ja ampeerille. Lisäksi kehitettiin laitteita, jotka liittyvät tähän tutkimukseen tai ovat sen mahdollistajia. Coulombin saartoon perustuvaa lämpömittaria tutkittiin mahdollisena primäärisenä mittanormaalina kelvinille: Sille rakennettiin mittausympäristö, jossa lämpötila voitiin määrittää Boltzmannin vakion ja jäljitettävästi mitatun jännitteen avulla. Lisäksi sitä verrattiin PLTS-2000 lämpötila-asteikkoon sekä kahteen muuhun Boltzmannin vakioon perustuvaan primääriseen lämpömittariin. Ampeerin kvanttimittanormaalitutkimukseen sovellettiin kahta eri ilmiötä: elektronien tunneloitumista suprajohde - eriste - normaalimetalli (NIS) -liitoksissa ja kvanttivaihehyppyjä suprajohtavissa nanolangoissa. Väitöskirjan aikana jälkimmäisiä havaittiin uudessa materiaalissa, molybdeenisilisidissä. Teoreettisesti on todistettu, että suprajohteen korkea normaalitilan resistiivisyys on edullista kvanttivaihehyppyihin perustuvien normaalien toteutukselle. Tällainen resistiivisyys voidaan saavuttaa kyseisessä materiaalissa. Virran kvanttimittanormaalin aikaansaamat signaalit ovat pieniä (suurimmillaan nanoampeereja) ja tästä syystä ylimääräinen kohina voi kasvattaa tarkkoihin mittauksiin tarvittavaa kestoa merkittävästi. Toisaalta taas, jos kohinafotonien energia on suuri, ne voivat rikkoa Cooperin pareja tai aiheuttaa epätoivottuja tunneloitumisia, mikä heikentää laitteiden tarkkuutta. Ensimmäinen näistä ongelmista ratkaistiin mittauskytkennän johdotusta parantamalla ja jälkimmäistä varten tutkittiin kahta kohinasuodatinta. NIS-liitoksiin perustuvien laitteiden, mm. kvanttivirtanormaalien, tutkimuksessa saavutettua tietämystä hyödynnettiin kahdessa sovelluksessa: kohina-antureissa ja jäähdyttimissä. Jälkimmäisiä käytettiin jäähdyttämään millimetriskaalan piisiruja. Niissä jäähdytys perustui fononien liikkuvuuden rajoittamiseen toisin kuin aiemmin tutkituissa NIS-jäähdyttimissä. Samassa yhteydessä todettiin simulointeja apuna käyttäen, että jäähdytys 1,5 K:stä aina sataan millikelviniin asti on saavutettavissa oleva päämäärä.Description
Supervising professor
Pekola, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Kemppinen, Antti, Prof., VTT Technical Research Centre of Finland, FinlandKeywords
quantum physics, metrology, tunnel junctions, quantum standards, kelvin, ampere, electric cooling, noise filtering and detection, kvanttifysiikka, mittatekniikka, tunneliliitokset, kvanttimittanormaalit, kelvin, ampeeri, jäähdytys, kohinasuodatus- ja detektointi
Other note
Parts
-
[Publication 1]: E. Mykkänen, J. S. Lehtinen, A. Kemppinen, C. Krause, D. Drung, J. Nissilä, A.J. Manninen. Reducing current noise in cryogenic experiments by vacuum-insulated cables. Rev. Sci. Instrum., 87, 105111 (7 pages) , 2016.
DOI: 10.1063/1.4963904 View at publisher
-
[Publication 2]: O. Hahtela, E. Mykkänen, A. Kemppinen, M. Meschke, M. Prunnila, D. Gunnarsson, L. Roschier, J. Penttilä, J. Pekola. Traceable Coulomb blockade thermometry. Metrologia, 54, 69 (8 pages), 2017.
DOI: 10.1088/1681-7575/aa4f84 View at publisher
-
[Publication 3]: J. Engert, A. Kirste, A. Shibahara, A. Casey, L.V. Levitin, J. Saunders, O. Hahtela, A. Kemppinen, E. Mykkänen, M. Prunnila, D. Gunnarsson, L. Roschier, M. Meschke, J.P. Pekola. New Evaluation of T - T-2000 from 0.02K to 1K by Independent Thermodynamic Methods. Int. J. Thermophys., 37, 125 (11 pages), 2016.
DOI: 10.1007/s10765-016-2123-4 View at publisher
-
[Publication 4]: J.S. Lehtinen, E. Mykkänen, A. Kemppinen, S.V. Lotkhov, D. Golubev, A.J. Manninen. Characterizing superconducting filters using residual microwave background. Supercond. Sci. Technol., 30, 055006 (10 pages), 2017.
DOI: 10.1088/1361-6668/aa63bc View at publisher
- [Publication 5]: E. Mykkänen, J.S. Lehtinen, A. Shchepetov, A. Timofeev, L. Grönberg, A. Kemppinen, A.J. Manninen, M. Prunnila. Efficient thermionic refrigeration and phonon isolation by a semiconductor-superconductor junction. Submitted 2018.
-
[Publication 6]: J.S. Lehtinen, A. Kemppinen, E. Mykkänen, M. Prunnila, A.J. Manninen. Superconducting MoSi nanowires. Supercond. Sci. Technol., 31, 015002 (7 pages), 2018.
DOI: 10.1088/1361-6668/aa954b View at publisher