Heat transport, fluctuations, and Maxwell's demon in electronic nanocircuits

Julkaisun otsikon käännös: Lämmönsiirto, fluktuaatiot ja Maxwellin demoni nanoelektronisissa piireissä

Jonne Koski

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Termodynamiikka kuvaa lämpökylpyyn kytketyn systeemin ominaisuuksia. Uusi tutkimuskohde on termodynamiikka mikroskooppisella tasolla, jossa systeemin tila kehittyy stokastisesti. Noin 150 vuotta sitten esitetty ajatuskoe, joka tunnetaan nimellä Maxwellin demoni ja joka näennäisesti rikkoo termodynamiikan toista pääsääntöä, on noussut merkittäväksi tutkimuskohteeksi kuvaamaan informaation ja energian välistä yhteyttä. Tässä väitöskirjassa tutkitaan kokeellisesti stokastista termodynamiikkaa sekä Maxwellin demonia nanoelektronisissa piireissä. Väitöskirjan alkuosa käsittelee termodynamiikan peruskäsitteitä sekä viimeaikoina esillenousseita fluktuaatiorelaatioita. Tämän jälkeen esitetään alkuperäinen ajatuskoe Maxwellin demonista ja Szilardin koneesta, minkä lisäksi syvennytään informaation asemaan termodynamiikassa. Seuraavaksi käsitellään lämmön siirtymistä metallisissa nanoelektronisissa piireissä. Erityisesti tutkitaan lämmön välittymistä suprajohteessa, joka ideaalitapauksessa toimii erinomaisena lämpöeristeenä, mutta suorassa kytkennässä normaaliin metalliin vuotaa lämpöä ns. käänteisen läheisilmiön vaikutuksesta. Tässä väitöskirjassa kuvataan kokeellinen toteutus jossa tämä lämpövuoto mitataan, ja lisäksi esitetään miten käänteistä läheisilmiötä hyödynnetään täysin normaalimetallisen alumiinipohjaisen tunneliliitoksen valmistamiseen. Väitöskirjan loppuosa käsittelee yhden elektronin ilmiöihin perustuvia laitteita, sekä niiden pohjalta toteutettuja stokastisen termodynamiikan kokeita. Yhden elektronin laatikoksi kutsuttuun laitteeseen perustuvalla koejärjestelyllä määritetään distribuutioita termodynaamisista suureista, joiden pohjalta testataan kokeellisesti fluktuaatiorelaatioita usean lämpökylvyn tapauksessa sekä distribuution yleisiä ominaisuuksia lämpötilan funktiona. Toisaalta koejärjestelyllä toteutetaan Szilardin kone, jossa yhden bitin sisältämän informaation avulla kerätään energiaa k_BT ln(2) verran, jossa k_B on Boltzmannin vakio ja T on lämpötila. Lopuksi tutkitaan lämmön siirtymistä yhden elektronin laitteissa mittaamalla lämpötilan muutoksia. Väitöskirjassa osoitetaan, että yhden elektronin transistoriksi kutsutulla laitteella saadaan aikaan jäähdytystä paikallisesti. Kun sama laite kytketään edelleen toiseen vastaavanlaiseen laitteeseen, toteutetaan ns. autonominen Maxwellin demoni. Esitetyssä kokeessa näytetään miten transistori jäähtyy mutta siihen kytketty laite (demoni) lämpenee vastaten informaatiovirtaa näiden välillä.
Julkaisun otsikon käännösLämmönsiirto, fluktuaatiot ja Maxwellin demoni nanoelektronisissa piireissä
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Pekola, Jukka, Vastuuprofessori
  • Pekola, Jukka, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-6737-7
Sähköinen ISBN978-952-60-6738-4
TilaJulkaistu - 2016
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • työ
  • lämpö
  • entropia
  • informaatio
  • Maxwellin demoni
  • yhden elektronin laitteet
  • stokastinen termodynamiikka
  • fluktuaatiorelaatiot

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Lämmönsiirto, fluktuaatiot ja Maxwellin demoni nanoelektronisissa piireissä'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä