Exploiting and controlling heat currents: Coherence effects in hybrid normal and superconducting nano-structures

Det är en av vår tids största utmaningar att hållbart producera, förvara och transportera energi. En attraktiv strategi vore att ta tillvara på spillenergi och omvandla den till "användbar" energi. "Användbar" energi är ett koncept som inom fysiken kallas arbete och det kan vara till exempel elektrisk eller mekanisk. Den mest kända maskinen är den klassiska ångmaskinen där vatten kokas upp och trycket från ångan som utvecklas används för att röra på hjulen på exempelvis ett lokomotiv. Med andra ord har värme omvandlats till mekaniskt arbete. I andra typer av tillämpningar är målet att omvandla värmeflöde till elektrisk effekt: sådana maskiner kallas "termoelektriska". Teknologin har, naturligtvis, utvecklats mycket edan ångmaskinen som var en banbrytande innovation på sin tid. Till exempel brottas dagens teknologiska utveckling med det ökande behovet av databearbetning med stor mångsidighet och med hög hastighet. För att lyckas med detta har en dramatisk nedskalning av elektriska komponenter sket. I dag är den ända nere på nanonivå. Denna miniatyrisering ger fler komponenter på en mindre yta men också elektronik med ny funktionalitet. På nanonivån så fungerar inte alltid vår klassiska förståelse av elektronik längre, utan så kallade kvanteffekter, ofta med kontraintuitiva konsekvenser, börjar spela en påtaglig roll. Det är viktigt att studera så kallade nanokomponenter för att se vad dessa förbryllande kvanteffekter har för konsekvens för hur komponenterna beter sig och om de kan möjliggöra ny funktionalitet. Mycket av dagens forskning, både fundamental och tillämpad, har att göra med detta fascinerande fält. En ny vändning av denna forskning in nanoområdet är jakten på termoelektriska tillämpningar och även värmekontroll i nanokomponenter. I detta projekt är målet att få en tydligare bild av vad för roll kvanteffekter spelar för värmekontroll och termoelektriska effekter i komponenter på nanoskalan. Det vi lär oss skall vi sedan använda för att designa nya komponenter där värme kan kontrolleras och omvandlas till "användbart" arbete. I designen av termoelektriska nanokomponenter kan förekomsten av kvanteffekter vara gynnsamma och medföra en helt ny princip för hur den fungerar Detta kommer utnyttjas för att, om möjligt, ge bättre resultat termoelektriska element. För att lyckas med detta kombinerar vi möjligheten att bygga och kontrollera strukturer på nanonivå. I synnerhet verkar supraledande material, metaller utan resistans, vara särskilt lämpliga för termoelektronik. För att nagelfara samspelet mellan dessa aspekter ska vi i detta projekt utveckla metoder för att teoretiskt kunna studera och modellera de nya komponenterna. Vi planerar även att angripa en annan aspekt av värme i nanokomponenter. Din dator eller mobiltelefon den värms upp då den har använts en längre tid. Denna uppvärmning begränsar generellt elektronik och en effektiv kylning är alltid nödvändig. I nanokomponenter är värmeutveckling speciellt problematiskt: de känsliga kvanteffekterna blir instabila när systemet värms upp, vilket gör värmekontroll än viktigare. Vår forskning kommer att leda till en bättre förståelse för hur värme påverkar kvantkomponenter. Med denna fråga i minne undersöker vi en av de mest fundamentala och spännande tillämpningar av kvantfysik idag: en kvantbit, även kallad qubit. Kvantbiten är den minsta byggstenen av en kvantdator, en dator som bygger på kvanteffekter. Även om kvantdatorn fortfarande är i sin linda har ett antal experiment där kvantbitar realiserats och manipulerats framgångsrikt gjorts under de senaste åren. I detta projekt ämnar vi undersöka hur värmeflöden, som kan uppstå oavsiktligt när kvantbiten används, påverkar hur den fungerar. Än mer spännande är frågan huruvida värme skulle kunna användas för att förbättra prestandan hos kvantbiten, något som än så länge helt har bortsetts från. Forskningen i detta projekt kommer alltså ge ovärderliga insikter i värmeeffekter och värmekontroll hos kvantkomponenter och leda till nya idéer om framtida tillämpningar.

Participants

Janine Splettstoesser (contact)

Docent vid Chalmers, Microtechnology and Nanoscience (MC2), Applied Quantum Physics

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding years 2015–2018

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

More information

Created

2015-04-28