Advanced

Quantum Correlations and Temperature Fluctuations in Nanoscale Systems

Brange, Fredrik LU (2019)
Abstract
This thesis addresses two different topics related to the physics of nanoscale systems. The first topic concerns quantum correlations and entanglement between electrons in solid-state systems, with a focus on how to generate electronic orbital entanglement on a sub-decoherence time scale and how to achieve experimentally more feasible entanglement detection schemes. The second topic concerns heat transport and temperature fluctuations in nanoscale systems, with a focus on how to utilize temperature fluctuations for calorimetric detection of single particles. The thesis comprises five papers.

In Paper I, we propose a quantum dot system to generate and detect, using cotunneling processes, orbitally entangled pairs of electrons on a... (More)
This thesis addresses two different topics related to the physics of nanoscale systems. The first topic concerns quantum correlations and entanglement between electrons in solid-state systems, with a focus on how to generate electronic orbital entanglement on a sub-decoherence time scale and how to achieve experimentally more feasible entanglement detection schemes. The second topic concerns heat transport and temperature fluctuations in nanoscale systems, with a focus on how to utilize temperature fluctuations for calorimetric detection of single particles. The thesis comprises five papers.

In Paper I, we propose a quantum dot system to generate and detect, using cotunneling processes, orbitally entangled pairs of electrons on a sub-decoherence time scale.

In Paper II, we investigate, by applying an entanglement witness, the minimal number of zero-frequency current cross-correlation measurements needed to detect bipartite entanglement between two flying qubits.

In Paper III, we consider energy and temperature fluctuations, and the influence of charging effects, in a metallic island tunnel coupled to a normal metallic lead, the so-called single electron box.

In Paper IV, we investigate nanoscale quantum calorimetry and propose a setup consisting of a metallic island and a superconducting lead to realize a nanoscale calorimeter that may probe the energies of tunneling electrons.

In Paper V, we investigate photon transport statistics of a microwave cavity, including the short-time statistics of single photon emissions and the long-time statistics of heat transport through the cavity. (Less)
Abstract (Swedish)
Den här avhandlingen berör två olika forskningsområden som är relaterade till fysiken för nanosystem. Det första området rör kvantkorrelationer och sammanflätning mellan elektroner i nanosystem, med ett särskilt fokus på hur man kan generera elektronisk orbital sammanflätning på tidsskalor mycket kortare än dekoherenstiden och hur man kan göra detektionen av sammanflätning enklare experimentellt. Det andra området rör värmetransport och temperaturfluktuationer i nanosystem, med ett särskilt fokus på hur man kan nyttja temperaturfluktuationer för kalorimetrisk detektion av enskilda partiklar. Avhandlingen omfattar totalt fem artiklar.

I artikel I föreslår vi ett kvantprickssystem för att generera och detektera, med hjälp av... (More)
Den här avhandlingen berör två olika forskningsområden som är relaterade till fysiken för nanosystem. Det första området rör kvantkorrelationer och sammanflätning mellan elektroner i nanosystem, med ett särskilt fokus på hur man kan generera elektronisk orbital sammanflätning på tidsskalor mycket kortare än dekoherenstiden och hur man kan göra detektionen av sammanflätning enklare experimentellt. Det andra området rör värmetransport och temperaturfluktuationer i nanosystem, med ett särskilt fokus på hur man kan nyttja temperaturfluktuationer för kalorimetrisk detektion av enskilda partiklar. Avhandlingen omfattar totalt fem artiklar.

I artikel I föreslår vi ett kvantprickssystem för att generera och detektera, med hjälp av kotunnlingsprocesser, orbitalt sammanflätade par av elektroner på tidsskalor mycket kortare än dekoherenstiden.

I artikel II undersöker vi, med hjälp av sammanflätningsvittnen, det minimala antalet nollfrekvensströmkorskorrelationsmätningar som behövs för att detektera sammanflätning mellan två flygande qubits.

I artikel III undersöker vi energi- och temperaturfluktuationer, särskilt inverkan av laddningseffekter, i en metallisk ö som är tunnelkopplad till en normalmetallisk kontakt, en så kallad enelektronbox.

I artikel IV undersöker vi nanokvantkalorimetri och föreslår en uppställning bestående av en metallisk ö och en supraledande kontakt för att implementera en nanokalorimeter som kan detektera energier som överförs av tunnlande elektroner.

I artikel V undersöker vi fotontransportstatistiken för en mikrovågskavitet, inklusive korttidsstatistiken för enfotonemissioner och långtidsstatistiken för värmetransport genom kaviteten. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Henning Schomerus, Lancaster University, Lancaster, UK
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Quantum transport, electronic entanglement, nanoscale thermodynamics, quantum calorimetry, Fysicumarkivet A:2019:Brange
pages
183 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science
defense location
Rydberg lecture hall, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund
defense date
2019-04-26 09:00:00
ISBN
978-91-7895-046-1
978-91-7895-047-8
language
English
LU publication?
yes
id
fb391f4b-4fae-4bc6-924d-258f37a93941
date added to LUP
2019-03-26 16:03:48
date last changed
2019-07-05 16:22:38
@phdthesis{fb391f4b-4fae-4bc6-924d-258f37a93941,
  abstract     = {This thesis addresses two different topics related to the physics of nanoscale systems. The first topic concerns quantum correlations and entanglement between electrons in solid-state systems, with a focus on how to generate electronic orbital entanglement on a sub-decoherence time scale and how to achieve experimentally more feasible entanglement detection schemes. The second topic concerns heat transport and temperature fluctuations in nanoscale systems, with a focus on how to utilize temperature fluctuations for calorimetric detection of single particles. The thesis comprises five papers.<br/><br/>In Paper I, we propose a quantum dot system to generate and detect, using cotunneling processes, orbitally entangled pairs of electrons on a sub-decoherence time scale.<br/><br/>In Paper II, we investigate, by applying an entanglement witness, the minimal number of zero-frequency current cross-correlation measurements needed to detect bipartite entanglement between two flying qubits.<br/><br/>In Paper III, we consider energy and temperature fluctuations, and the influence of charging effects, in a metallic island tunnel coupled to a normal metallic lead, the so-called single electron box.<br/><br/>In Paper IV, we investigate nanoscale quantum calorimetry and propose a setup consisting of a metallic island and a superconducting lead to realize a nanoscale calorimeter that may probe the energies of tunneling electrons.<br/><br/>In Paper V, we investigate photon transport statistics of a microwave cavity, including the short-time statistics of single photon emissions and the long-time statistics of heat transport through the cavity.},
  author       = {Brange, Fredrik},
  isbn         = {978-91-7895-046-1},
  language     = {eng},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science},
  school       = {Lund University},
  title        = {Quantum Correlations and Temperature Fluctuations in Nanoscale Systems},
  url          = {https://lup.lub.lu.se/search/ws/files/62167653/Fredrik_Brange_web.pdf},
  year         = {2019},
}