Ajankohtaista

Väitös: 8.6. Teoreettisia ja laskennallisia tuloksia nanomittakaavan kuljetusilmiöistä (Tuovinen)

Alkamisaika: keskiviikko 08. kesäkuuta 2016, 12.00

Päättymisaika: keskiviikko 08. kesäkuuta 2016, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, YAA303

Riku Tuovinen, kuva: Lilja Tervo
FM Riku Tuovisen teoreettisen fysiikan väitöskirjan ”Time-Dependent Quantum Transport in Nanosystems: A Nonequilibrium Green's Function Approach" tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Liliana Arrachea (Universidad de Buenos Aires, Argentiina) ja kustoksena professori Robert van Leeuwen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuus on englanninkielinen.

Riku Tuovinen kehitti väitöstutkimuksessaan menetelmiä, joilla voidaan helposti mallintaa virran kulkua nanorakenteissa.

Nanomittakaavan elektroniikka on kehittynyt huomattavasti viime vuosikymmenten aikana. 1970-luvulla esitettiin yksittäisestä orgaanisesta molekyylistä koostuvaa elektronista komponenttia, joka kuljettaisi virtaa vain yhteen suuntaan. Tästä kulmakivestä aina nykypäivään asti on maailmanlaajuisesti toteutettu lukuisia tutkimuksia nanomittakaavan kuljetusominaisuuksien mittaamiseen, mallintamiseen ja ymmärtämiseen.

Teknologisesta näkökulmasta nämä oivallukset johtavat tulevaisuudessa äärimmäisen nopeisiin nanoelektroniikan komponentteihin, joita käytetään esimerkiksi laskentayksiköissä ja tiedontallennuksessa.

– Teknologisen kehityksen taustalle tarvitaan kuitenkin tarkkoja teoreettisia malleja ja laskennallisia menetelmiä kuvaamaan nanosysteemien kvanttimekaanisia ilmiöitä, Tuovinen painottaa.

Tuovisen väitöskirjassa on tutkittu teoreettisesti ja laskennallisesti ajasta riippuvia kuljetusilmiöitä nanomittakaavan virtapiireissä, joita voidaan mallintaa metalli–molekyyli–metalli-rajapintoina. Niissä kahden metallijohtimen välissä oleva molekyyli, jonka kuljetusominaisuuksista ollaan kiinnostuneita, on mielivaltainen nanorakenne, esimerkiksi pieni orgaaninen bentseenirengas tai suuri hiilinanoputki.

Ajasta riippuvan virran kulkeutumisen määrittämiseksi väitöksessä esitellään epätasapainon Greenin funktioihin perustuva teoria, jonka pohjalta johdetaan väitöskirjan päätuloksina täsmällisiä matemaattisia lausekkeita muun muassa tarkasteltavan nanorakenteen varaustiheyksille.

Työssä kehitettyä menetelmää on käytetty lukuisissa käytännön sovelluksissa. Kun nanovirtapiirin yli kytketään jännite-ero, elektronit alkavat virrata tutkittavan nanorakenteen läpi, ja hetkelliset virtaukset heilahtelevat merkittävästi femtosekuntien aikaskaalassa rakenteen ominaisuuksista riippuen ja lopulta tasoittuen.

Työssä johdetuilla kaavoilla voidaan laskea ajasta riippuvia virtauksia tarkasti ja tehokkaasti.

– Muun muassa grafeeninauhoissa havaittua nk. siksak-reunatilojen vaikutusta virran aikariippuvuuteen voidaan mahdollisesti käyttää tulevaisuuden nanoelektroniikassa virtojen kontrollointiin, Tuovinen arvioi.

Soveltavalle jatkotutkimukselle on paljon sijaa, sillä kehitetty menetelmä on varsin yleinen ja sitä voidaan soveltaa laajasti erilaisiin kvanttikuljetusasetelmiin.


Lisätietoja:

Riku Tuovinen, +358 50 3759359, riku.m.tuovinen@jyu.fi
Viestintäharjoittelija Petra Toivanen, +358 40 8053638, tiedotus@jyu.fi

Riku Tuovinen valmistui ylioppilaaksi Lapinlahden lukiosta vuonna 2005. Hän aloitti opinnot Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksessa keväällä 2007 valmistuen filosofian maisteriksi keväällä 2011. Väitöskirjatyö on suoritettu professori Robert van Leeuwenin tutkimusryhmässä. Tutkimusta ovat rahoittaneet Ellen ja Artturi Nyyssösen säätiö, Vilho, Yrjö ja Kalle Väisälän rahasto sekä Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos.

Teos on julkaistu sarjassa Department of Physics, University of Jyväskylä Research Report numerona 6/2016, Jyväskylä 2016, ISSN 0075-465X, ISBN 978-951-39-6593-8, ISBN 978-951-39-6594-5 (pdf).

Abstract

A time-dependent extension to the Landauer--Büttiker approach to study transient quantum transport in arbitrary junctions composed of leads and conducting devices is developed. The nonequilibrium Green's function approach is employed for describing the charge and heat transport dynamics. The importance of the developed method is that it provides a closed formula for the time-dependent density matrix in both electronic and phononic systems. In the electronic case the nonequilibrium conditions are due to a switch-on of a bias voltage in the leads or a perturbation in the junction whereas in the phononic case the central region of interest is coupled to reservoirs of different temperatures.

In both cases the time-dependent density matrices, and furthermore other transport properties such as local charge and heat currents, may be evaluated without the necessity of propagating individual single-particle orbitals or Green's functions.

More precisely, an analytic solution to the Kadanoff--Baym equations of motion for both electronic and phononic Green's functions describing an arbitrarily shaped and sized noninteracting lattice connected to an arbitrary number of noninteracting wide-band terminals, also of arbitrary shape and size, is provided. In the electronic case, the initial equilibrium state is properly described by the addition of an imaginary track to the Keldysh time contour, on which the equation of motion is described. From the solution the time-dependent electron and phonon densities and currents within the junction are extracted. The final results are analytic expressions as a function of time, and therefore no time propagation is needed -- either in transient or in steady-state regimes.

As the formalism allows for studying time-dependent transport in noninteracting but arbitrary molecular systems coupled to wide band leads, several applications are presented and discussed. Especially, transient charge dynamics in graphene nanoribbons of different geometries is studied. The transient time scales are found to exceed several hundreds of femtoseconds while displaying a long time oscillatory motion related to multiple reflections of the density wave in the nanoribbons at the ribbon--lead interface. This finding strongly vouches for the need for a fully time-dependent description of the quantum transport processes. The time-dependent current through a graphene nanoribbon has a shape that scales with the length of the ribbon and is modulated by fast oscillations described by intra-ribbon and ribbon--lead transitions. Furthermore, time-dependent quantum transport is studied in curved graphene nanoribbons. The curvature is found to trigger temporally and spatially focused electric currents which might prove pivotal for a robust design of graphene sensors and circuitries. Further simulations in a superconducting benzene-like molecule attached to normal metal leads show formation of Cooper pairs within the molecule related to Andreev reflection processes. In addition, transient heat transport in atomic chains is studied where the transient oscillations are found to be related to the transitions between the chain's vibrational modes.

Lisätietoja

tohtorikoulutettava Riku Tuovinen
riku.m.tuovinen@jyu.fi
+358 40 8054 451
kuuluu seuraaviin kategorioihin: