Kohti uutta sähkövirran kvanttinormaalia

Ville Maisi väittelee tekniikan tohtoriksi Aalto-yliopistossa 30.4.2014 aiheesta “Andreev tunneling and quasiparticle excitations in mesoscopic normal metal – superconductor structures”. Vastaväittäjä toimii TkT Hugues Pothier (CEA Saclay, Ranska) ja kustoksena professori Jukka Pekola. Työ on tehty MIKESissä ja Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulun O. V. Lounasmaa -laboratoriossa. Tällä hetkellä Ville työskentelee Zürichin teknillisessä korkeakoulussa (ETH) Sveitsissä.

Tulevaisuudessa kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI) tulee perustumaan luonnonvakioihin. Ehdotetussa uudessa SI-järjestelmässä sähkösuureiden perusyksikkönä säilyy sähkövirran yksikkö ampeeri, joka tullaan määrittelemään kiinnittämällä alkeisvarauksen e arvo. Tällöin suoraviivainen tapa toteuttaa ampeeri käytännössä on pumpata elektroneja yksitellen taajuudella f, jolloin sähkövirta I = ef. Tämä edellyttää laitetta, joka mahdollistaa sähkövirran kulun päästämällä hallitusti lävitseen yksittäisiä elektroneja. Tällaisia laitteita kutsutaan yksielektronitransistoreiksi ja ne on yleensä toteutettu hyvin mataliin lämpötiloihin jäähdytetyillä nanorakenteilla. Yksittäisten elektronien pumppaukseen perustuvan kvanttivirtalähteen kehittäminen on yksi metrologian suurista haasteista.

Ville Maisi tutki väitöskirjassaan suprajohde-normaalimetalli-yksielektronitransistoriin perustuvaa SINIS-kääntöporttia, sen toiminnan rajoituksia sekä laitteen fysikaalisia prosesseja. Työssä keskityttiin elektronien hallittuun siirtelyyn nanokokoisten suprajohde- tai normaalimetallisaarekkeiden ja isompien johdinten välillä alle 100 mK:n lämpötiloissa. Työssä selvitettiin kokeellisesti, miten elektronien pariutuminen suprajohteissa vaikuttaa yhden elektronin ilmiöihin sekä mitattiin elektronien ja suprajohteen hilan välistä vuorovaikutusta matalissa lämpötiloissa. Tutkimuskohteina käytetyillä komponenteilla pystyttiin tuottamaan sähkövirta elektroneja hallitusti siirtelemällä noin 0.01 prosentin suhteellisella epävarmuudella. Väitöskirjan tuloksena saavutettu kvanttivirtalähteen toiminnan fysikaalisten perusteiden ymmärtäminen mahdollistaa epävarmuuden pienentämisen kohti tavoitteena olevaa alle 0.1 miljoonasosan tasoa.

Väitöstiedote: http://sci.aalto.fi/fi/current/events/vaitostiedote_maisi_ville.pdf
Elektroninen väitöskirja: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-6682-11-2