Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat ovat saatavilla yliopiston ylläpitämässä avoimessa Aaltodoc-julkaisuarkistossa.
Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Joel Hätinen
Enabling cryogenic technologies for superconducting quantum devices
Väitös Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulusta, teknillisen fysiikan laitokselta.
Väitös Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulusta, teknillisen fysiikan laitokselta.
Väitöskirjan nimi: Enabling cryogenic technologies for superconducting quantum devices
³Õä¾±³Ù³Ù±ð±ô¾±Âáä: Joel Hätinen
³Õ²¹²õ³Ù²¹±¹Ã¤¾±³Ù³ÙäÂáä: tohtori Joel Ullom, NIST Quantum Sensors Division, USA
Kustos: professori Jukka Pekola, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu
Tässä väitöskirjassa kehitetään sirutason kryogeenisten jäähdyttimien keskeisiä komponentteja. Matalan lämpötilan ympäristöt mahdollistavat huipputason tieteellisen tutkimuksen ja korkean suorituskyvyn sovellukset erityisesti suprajohtavien kvanttilaitteiden parissa. Lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötilojen saavuttamiseksi käytetään tyypillisesti suurikokoisia ja kalliita kryojäähdyttimiä. Uusia jäähdytysmenetelmiä on kuitenkin kehitettävä paremmin skaalautuvien ja kustannustehokkaiden kryogeniikkaa hyödyntävien järjestelmien mahdollistamiseksi. Yksi lupaava teknologia on suprajohtaviin tunneliliitoksiin perustuva sirutason jäähdytys.
Kuten kaikissa jäähdytyslaitteissa, lämmöneristys, jäähdytysteho ja käyttölämpötila-alue ovat keskeisiä ominaisuuksia, jotka määrittävät laitteen käyttökelpoisuuden. Tässä väitöskirjassa osoitetaan kokeellisesti kahden flip-chip-liitoksella yhteen kytketyn mikrosirun välinen suuri lämpövastus. Tulos osoittaa, että flip-chip-rakenne soveltuu sirutason jäähdyttimien valmistukseen. Lisäksi kehitetään suprajohtavia läpisirunliitäntöjä (through-silicon via, TSV), jotka mahdollistavat signaalinsiirron monisirukokoonpanoissa.
Väitöskirjan keskeinen saavutus on elektronisen jäähdytyksen osoittaminen 2,4 kelvinistä alle 1,6 kelviniin niobiumpohjaisia suprajohtavia tunneliliitoksia käyttäen. Kehitetty laite yhdistää kaupallisten helium-4-pulssiputkikryojäähdyttimien ja olemassa olevien matalan lämpötilan sirutason jäähdyttimien lämpötila-alueet. Kiekkotasolla valmistetut alumiini-niobium-liitokset osoittavat erinomaiset liitosominaisuudet, kuten matalan suhteellisen vuotovirran ja korkean jäähdytystehon. Lisäksi kiekkotasolla valmistetut piipohjaiset suprajohtavat tunneliliitokset osoittavat soveltuvuuden sirutason jäähdyttimien valmistamiseen.
Tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset mahdollistavat sirutason kaskadijäähdyttimien modulaarisen suunnittelun. Näiden jäähdyttimien odotetaan tukevan useiden suprajohtavien kvanttilaitteiden skaalaamista periaatetason osoituksista monikomponenttisiin järjestelmiin tutkimuslaboratorioiden ulkopuolelle käytännön sovelluksiin.
Avainsanat: 3d-integraatio, flip-chip, sirutason jäähdytin, piisirun läpivienti
Yhteystiedot:
joel.hatinen@vtt.fi
Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä):
Perustieteiden korkeakoulu väitöskirjat
Zoom pikaopas