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 käännös | Kvanttimittatekniikasta sovelluksiin |
---|---|
Alkuperäiskieli | Englanti |
Pätevyys | Tohtorintutkinto |
Myöntävä instituutio |
|
Valvoja/neuvonantaja |
|
Kustantaja | |
Painoksen ISBN | 978-952-60-8275-2 |
Sähköinen ISBN | 978-952-60-8276-9 |
Tila | Julkaistu - 2018 |
OKM-julkaisutyyppi | G5 Artikkeliväitöskirja |
Tutkimusalat
- kvanttifysiikka
- mittatekniikka
- tunneliliitokset
- kvanttimittanormaalit
- kelvin
- ampeeri
- jäähdytys
- kohinasuodatus- ja detektointi