At give studenten en grundlæggende forståelse af metoder til køling til kryogene temperaturer. Afhængigt af studentens ønsker gennemgås funktionalitet (dynamik og støj) af udvalgte kryogene elektroniske komponenter
Læringsmål:
En studerende, der fuldt ud har opfyldt kursets mål, vil kunne:
redegøre for de termodynamiske størrelser: temperatur, entropi, varmekapacitet, varmeledning, etc. og sidstnævntes temperaturafhængighed i det kryogene område
redegøre for kryogene kølemetoder og disses implementering i de forskellige temperaturområder, herunder at kunne beskrive virkemåde af moderne kryogene kølemaskiner og kølecykler baseret på gas- og væskestrøm
udføre simple designs og varmestrømsberegninger, som kræves til konstruktion af kryogene eksperimentelle opstillinger
give en dybgående beskrivelse af egenskaberne af de to vigtigste kvantevæsker 3He og 4He, samt blandinger heraf
gennemgå virkemåden af kølemaskiner baseret på 3He og 4He (køling ved fordampning, 3He/4He blandingskølemaskine, Pomeranchuk køling, etc)
gennemgå kryogen køling baseret på spinet af elektoner og atomer, samt laserkøling
forstå og redegøre for de fysiske egenskaber af udvalgte moderne superledende kryogene devices. Fx kan vælges: høj-Tc og lav-Tc superledende komponenter, lange og korte Josephson tunneldioder (fluxon dynamik, Resonant Soliton oscillator, Flux Flow Os
forstå og redegøre for fysikken i udvalgte nanodevices og hybrid komponenter baseret på kombinationer af normalmetaller/halvledere/superledere eller spintronikkomponenter. Der kan arbejdes med devices baseret på tunnellering i nanostrukturer
bruge og forstå moderne termometri og kvantemetrologi baseret på de fysiske egenskaber og faseovergange ved kryogene temperaturer
Kursusindhold:
Kurset består af to dele. Første del omhandler moderne kølemetoder til opnåelse af kryogene temperaturer. Ofte anvendes en serieforbindelse af mekaniske kølemaskiner, som virker ned til ca. 4.2K, efterfulgt af kølecykler baseret på faseovergange i kvantevæsker (mK) eller elektron/atomspin systemer (ned til mikrokelvin). Laserkøling (photon-bestråling) anvendes til meget lave temperaturer (fx Bose-Einstein kondensation med atomer). De mange nye mekaniske kølemaskiner og deres karakteristika gennemgås. Derpå lægges vægt på forståelse af de to kvantevæsker 3He og 4He og blandinger heraf, som anvendes i den såkaldte dilution refrigerator (10 mK). Også Pomeranchuk køling omtales.
I anden halvdel af kurset udvælges interessante devices, hvis fysiske egenskaber gennemgås. Der kan vælges superledende devices og/eller egentlige nanodevices, hvis virkemåde overvejende er baseret på kvantemekanisk tunnellering. Der arbejdes med høj-Tc og lav-Tc superledende komponenter, Josephson effekt, lange og korte Josephson tunneldioder, SQUID, dynamik af Josephson fluxoner i lange dioder og arrays, flux flow oscillatorer, RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) elektronik samt millimeterbølge detektorer og bolometre (SIS, TES, MES, etc). En mulighed er også at vælge devices baseret på kombinationer af normalmetaller/halvledere/superledere, såkaldte hybrid komponenter eller egentlige spintronics devices. Vælges nanodevices fokuseres på tunnellering i nanostrukturer (inklusive en summarisk gennemgang af nanodevicefabrikation, MBE, elektronstråle litografi, "skrive" med STM/AFM m.v.), herunder, enkelt-elektron og Cooper-par tunnellering, (SET og CPT). De elektriske egenskaber af disse devices gennemgås, specielt støj i SET og CPT transistor, CPT termometri, paritetsfænomener. Kurset indeholder desuden en indføring i kvantemetrologi og kryogen termometri.
