Heat and charge transport in nanostructures: interference, ac-driving, environment, and feedback
- Autores: Guillem Rosselló Rosselló
- Directores de la Tesis: Maria Rosa López Gonzalo (dir. tes.), Raúl Toral Garcés (tut. tes.)
- Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2019
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Peter Samuelsson (presid.), David Sánchez Martín (secret.), Géraldine Haack (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de las Illes Balears
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RepositoriUIB
- Resumen
- español
El aumento del número de transistores en circuitos integrados ha llevado a la miniaturización de los chips hasta la nano-escala. Gracias a esta reducción en tamaño, hoy en día existen componentes más pequeños y más rápidos para ordenadores y smartphones. Aún con las ventajas de esta mejora, esto también comporta problemas ya que mayor velocidad implica más calentamiento. Por tanto, al estudiar estos sistemas, no sólo hay que tener en cuenta la corriente de carga sino también las corrientes de energía y de calor, estudiando cómo se disipa ésta, junto con la relación entre electricidad y calor. El estudio de estas cantidades no es una tarea fácil, ya que en sistemas de esta escala los efectos cuánticos pueden tener un papel relevante. Por eso, el objetivo de esta tesis es aportar a esta cuestión, mediante el estudio de diversos sistemas de tamaño nanométrico, describiendo su respuesta en términos de corrientes eléctricas y de calor, a fuerzas eléctricas y térmicas.
Para conseguir dicho objetivo, empezamos con una introducción a los tipos de sistemas que estudiaremos en esta tesis en el capítulo 1. Trataremos mayoritariamente con sistemas confinados como puntos cuánticos y sistemas Hall cuánticos y describimos sus propiedades más relevantes. Por otro lado, en el capítulo 2, se detallan brevemente las principales magnitudes que utilizaremos para describir los sistemas mencionados, es decir, los flujos de electricidad y de calor. Finalmente, presentamos los diferentes métodos que utilizaremos para calcularlos.
Los resultados de la tesis empiezan en el capítulo 3, dónde consideramos la corriente más pequeña posible y estudiamos una de las propiedades más intrigantes de la física cuántica, la dualidad onda-partícula. Para eso, usamos un interferómetro Mach-Zehnder donde los electrones emitidos por uno o dos emisores de electrones pueden interferir y colisionar. Estudiando este sistema a través de las corrientes de carga y de energía, nuestros resultados permiten afirmar que ambas corrientes tienen comportamientos muy diferentes y que la interpretación de partículas no permite explicar los resultados, mientras que la basada en ondas sí que permite interpretar correctamente los resultados de ambas cantidades.
En el capítulo 4, estudiamos un condensador cuántico. Sometemos el sistema a un voltaje que oscila rápidamente en el tiempo, hecho que nos permite estudiar los efectos de los procesos asistidos por fotones, así como los efectos de la interacción en la dinámica de relajación del equivalente cuántico del circuito RC. Con nuestros resultados comprobamos que la definición típica de la corriente energética no es del todo correcta, ya que hay que tener en cuenta el calor que se guarda y que se relaja en las barreras para poder tener el resultado correcto.
A continuación, en el capítulo 5, investigamos cómo el circuito que hay alrededor del sistema afecta al transporte de calor y de carga a través de un transistor de electrón único. Para eso, estudiamos los flujos de carga y de calor en el régimen lineal y mostramos que cuando se usa el transistor cómo motor termoeléctrico, la energía ambiental puede ayudar a mejorar la eficiencia.
En el capítulo 6 seguimos con la idea de utilizar un transistor de electrón único cómo motor termoeléctrico. Así, diseñamos un sistema formado por un punto cuántico conectado a dos estados de borde de un sistema Hall cuántico. En este sistema implementamos un protocolo de feedback en el que un ente externo, un demonio, es capaz de controlar la quiralidad de los estados de borde mediante la medición del estado del punto cuántico. Eso permite al ente obtener información del sistema que entonces es usada para extraer trabajo del sistema sin necesidad de un gradiente térmico.
Finalmente, las conclusiones generales de la tesis son presentadas en el capítulo 7.
- English
The fulfillment of Moore's law, the doubling of number of transistors in integrated circuits every two years, has led to the miniaturization of chips to the nanoscale. As a consequence, faster and smaller components for computers and smartphones are available nowadays. As good as this sounds, this improvement in performance and size comes with some associated problems since rapid operation means a stronger heat dissipation in the system. To overcome these problems one needs to characterize not only the charge current that is used in these systems but also to study its relation to heat currents and how they are dissipated. The investigation of these currents is not an easy task since in such small systems quantum effects start to play a crucial role. The aim of this thesis is to develop this field by studying various nanoscale systems and characterizing their response to electrical and thermal forces in terms of charge and energy flows.
To this end, in chapter 1, we start with an introduction of the systems that we analyze in this thesis. In most of the cases we deal with confined systems in the nanoscale such as quantum dots and quantum Hall systems. In this chapter we describe some of their most relevant peculiarities. In chapter 2, we briefly discuss the main magnitudes that we are going to use to describe those systems, namely the charge and energy flows, and we present the different approaches and formalisms of quantum transport theory used to calculate charge and energy currents.
We start, in chapter 3, by considering the smallest possible current, and we study one of the most intriguing properties of the quantum world, the particle-wave duality. With this purpose, we use a Mach-Zehnder interferometer where electrons emitted by one or two single-particle sources can interfere and collide. By studying the charge and energy currents of these systems we are able to show that charge and energy flows have different behaviors and that the particle-like picture is only suited to explain the charge current whereas the wave-like picture allows us to interpret correctly the results of both quantities.
In chapter 4 we study a quantum capacitor. By subjecting this system to a fast AC-driving we can study the effects of photo-assisted events and of electron-electron interaction on the relaxation dynamics of the quantum equivalent to the RC-circuit. We check that the usual definition for energy currents is flawed and that one needs to take the energy relaxed in the barriers for a proper result, in terms of symmetry.
In chapter 5 we study the effect of the surrounding circuit, an environment, on the transport properties of heat and charge through a single electron transistor, a gated quantum dot connected to two reservoirs. We study the charge and heat currents in the linear regime and we show that the environment is able to produce heat rectification even in the linear regime and that it can help improve the efficiency of the single electron transistor when it is used as a thermoelectric engine.
In chapter 6 we follow the idea of chapter 5 of using a single electron transistor as a thermoelectric engine. We devise a setup consisting of a quantum dot connected to two quantum Hall edge states. We implement a feedback scheme in which an external entity, a "demon", is able to control the chirality of the edge states by reading the state of the quantum dot. The demon does work on the system thanks to the information that extracts by reading the charge dot state.
Finally, we present the general conclusions of this thesis in chapter 7.
- català
L'augment del nombre de transistors en circuits integrats ha portat a la miniaturització dels xips fins a la nano-escala. Gràcies a això, avui en dia existeixen components més petits i més ràpids per a ordinadors i smartphones. Tot i els avantatges d'aquesta millora, aquesta també comporta problemes ja que una major velocitat comporta un major escalfament dels circuits. Per tant, quan s'estudien aquests sistemes cal tenir en compte no només la corrent elèctrica sinó també les corrents d'energia i calor, tot sabent com es dissipa aquesta, juntament amb la relació que guarden electricitat i calor. L'estudi d'aquestes magnituds no és una tasca fàcil, ja que en sistemes d'aquesta escala els efectes quàntics poden tenir un paper rellevant i cal tenir en compte nous fenòmens microscòpics. L'objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar aquest camp mitjançant l'estudi de diversos sistemes de mida nanomètrica, caracteritzant la seva resposta, en termes de corrents elèctriques i de calor, a forces elèctriques i tèrmiques.
Comencem al capítol 1 amb una introducció als tipus de sistemes que estudiarem en aquesta tesi. Majoritàriament tractarem sistemes confinats com punts quàntics i sistemes Hall quàntics i en descriurem les seves propietats més rellevants. Per altra banda, en el capítol 2 es detallen breument les principals magnituds que usarem per descriure els sistemes mencionats, és a dir, els fluxos d'electricitat i de calor. Finalment, hi presentem els distints mètodes que emprarem per calcular-los.
Els resultats de la tesi comencen al capítol 3, on considerem la corrent més petita possible i estudiem la dualitat ona-partícula. Per això, usem un interferòmetre Mach-Zehnder on els electrons emesos per un o dos emissors d'electrons poden interferir i col·lisionar. Estudiant aquest sistema en termes de corrents de càrrega i de calor, els nostres resultats permeten afirmar que les dues corrents es comporten de manera molt diferent i que la interpretació en termes de partícules no serveix per explicar els resultats de la corrent de calor, mentre que la basada en ones sí que permet interpretar correctament els resultats d'ambdues quantitats.
En el capítol 4, estudiem un condensador quàntic. Sotmetem el sistema a un voltatge que oscil·la ràpidament en el temps, fet que ens permet estudiar els efectes de processos assistits per fotons, així com els efectes de la interacció en la dinàmica de relaxació de l'equivalent quàntic del circuit RC. Els nostres resultats ens permeten comprovar que la definició típica de la corrent energètica no és del tot correcta, ja que s'ha de tenir en compte la calor que es guarda i que es relaxa en les barreres.
A continuació, en el capítol 5 investiguem com el circuit que hi ha al voltant del sistema afecta el transport de calor i de càrrega a través d'un transistor d'un sol electró. Per això, estudiem els fluxos de càrrega i de calor en el règim lineal i mostrem que l'efecte ambiental pot causar una rectificació de calor, fins i tot en el règim lineal. A més, mostrem que quan s'usa el transistor com a motor termoelèctric, l'energia ambiental pot ajudar a millorar-ne l'eficiència.
Al capítol 6 seguim amb la idea d'usar un transistor d'un sol electró com a motor termoelèctric. Així, dissenyem un sistema format per un punt quàntic connectat a dos estats de vorera d'un sistema Hall quàntic. En aquest sistema, implementem un protocol de feedback en el que un ens extern, un dimoni, és capaç de controlar la quiralitat dels estats de vorera mitjançant la mesura de l'estat del punt quàntic. Això permet a l'ens obtenir informació del sistema que llavors és usada per extreure treball del sistema sense necessitat d'un gradient tèrmic.
Finalment, les conclusions generals de la tesi es troben al capítol 7
- español
