From quantum metrology to applications

Julkaisun otsikon käännös: Kvanttimittatekniikasta sovelluksiin

Emma Mykkänen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

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.
Julkaisun otsikon käännösKvanttimittatekniikasta sovelluksiin
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Pekola, Jukka, Vastuuprofessori
  • Kemppinen, Antti, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-8275-2
Sähköinen ISBN978-952-60-8276-9
TilaJulkaistu - 2018
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • kvanttifysiikka
  • mittatekniikka
  • tunneliliitokset
  • kvanttimittanormaalit
  • kelvin
  • ampeeri
  • jäähdytys
  • kohinasuodatus- ja detektointi

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Kvanttimittatekniikasta sovelluksiin'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä