Ģ��ֱ��

Oletko koskaan kuullut fononista? Se on käsite, joka ei ehkä ole tuttu suurimmalle osalle ihmisistä, mutta on yhtä kiehtova kuin fotoni. Kun fotoni on sähkömagneettisen aallon kvanttimekaaninen hiukkanen, fononi on taasen energian kvantti, joka liittyy atomien värähtelyliikkeeseen ja joka leviää materiaalin läpi aaltona, vastaten lämmön ja äänen siirrosta kiinteissä aineissa.

Määritelmänsä mukaan fononi ei voi kulkea tyhjiöraon yli kiinteiden aineiden välillä, koska tyhjiössä ei ole värähtelevää materiaalia. Kuitenkin tutkimuksessamme kehitettiin teoria, joka mahdollistaa tuon ilmiön - akustisten fononien tunneloinnin tyhjiön yli - käyttäen hyväksi pietsosähköistä efektiä, jonka avulla hilavärähtely luo myös sähkökentän. Teoriamme avulla voidaan laskea akustisten fononien energiansiirto anisotrooppisten materiaalien välillä kaikilla mahdollisilla kidesuunnilla. Se on mahdollistanut akustisten fononien tunneloinnin tutkimisen erilaisissa materiaaleissa ja mahdollistanut syvemmän ymmärryksen taustalla olevasta fysiikasta.

Tutkimuksemme paljasti, että materiaalin rajapinnan pinta-aallot saavat aikaan tunneloinnin. Tämä löytö johti siihen mielenkiintoiseen ja merkittävään havaintoon, että resonanssitunneloinnin avulla on mahdollista saavuttaa ns. täydellinen tunnelointi ilman heijastusta. Tällä voi olla käytännön sovelluksia läheisyysantureissa ja nanomittakaavan kuvantamisessa.

Lisäksi olemme tehneet teoreettisen analyysin fononien tunneloinnin kautta kuljetetusta lämmöstä ja havainneet, että se voi mahdollistaa lämmönsiirron huomattaville etäisyyksille. Lämmönsiirron vaikutus korostuu alhaisissa lämpötiloissa ja voi jopa ylittää kaikki muut lämmönsiirtomekanismit kymmenien Kelvinien lämpötiloissa alle mikrometrin mittaisten tyhjiörakojen yli.

Teoreettisen työn lisäksi olemme suorittaneet kokeita alle Kelvinin lämpötiloissa käyttäen valmistamiamme nanomittakaavan laitteita, joissa on suprajohtavat anturit. Tuloksemme osoittavat ensimmäistä kertaa lämmön siirtyvän tyhjiöaukon läpi akustisten fononien tunneloinnin avulla, todistaen ilmiön olemassaolon.

Väitöskirjani tutkimus täyttää monia aukkoja akustisten fononien tunneloinnin ymmärtämisessä. Se avaa uuden tutkimusalan ja edistysaskeleen nanoteknologiassa. Koska lämpöongelmat ovat muodostuneet kriittiseksi esteeksi transistoritiheyden lisäämiseen, tutkimuksemme tarjoaa uutta ymmärrystä ja mahdollisen ratkaisun lämmön hallintaan nanomittakaavassa. Lisäksi tuloksillamme voi olla käytännön sovelluksia muun muassa lämpökytkimissä, antureissa ja metamateriaaleissa, jotka voivat olla hyödyllisiä esim. nanokuvantamisessa, kryogeenisissä antureissa ja energiankeruussa.

Vastaväittäjänä toimii professori Achim Kittel (Carl von Ossietzky University of Oldenburg, Saksa) ja kustoksena professori Ilari Maasilta (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti.

Väitöskirja on julkaistu verkkojulkaisusarjassa ja se on luettavissa JYX-julkaisuarkistossa: