Thermal Photoemitter and Absorber

Abstract

The development of controllable thermal photon sources is essential for the advancement of quantum computers, specifically for the development of sensitive detectors and the study of heat transport in superconducting circuits. This thesis investigates a device featuring a metallic copper island acting as a variable thermal bath, coupled to a superconducting microwave line through a clean interface. The device utilizes four adjoining Normal-Insulator-Superconductor (NIS) junctions, enabling both the heating of the island and precise measurements of its electronic temperature. Experimental results demonstrate microwave signal absorption efficiency near 100% and thermal emission reaching close to the theoretical unity limit, thus giving a direct measurement of quantum limited photonic heat conduction. In addition to the emission measurements, this thesis considers the heat flow away from the island. Interestingly, measurements reveal an enhanced heat flux from the island compared to similar previously studied devices, suggesting that specific geometrical parameters may play a critical role in the heat conduction. These findings establish the device as a highly efficient, controllable thermal photon source.

Popular Abstract (Swedish)

Emission och absorption av termiskt ljus på fotonnivå

Vi visar att emission och absorption av mikrovågsfotoner från en nanostruktur i millikelvinområdet når nära 100% effektivitet. Strukturen kan fungera som en termisk fotonkälla för kvantteknologin.

De senaste åren har kvantteknologi vuxit fram som ett nytt spännande forskningsfält som det just nu satsas stora resurser på, både i Sverige och internationellt. Ett av målen med forskningen är att bygga en kvantdator, som skulle kunna utföra vissa typer av komplexa beräkningar på bråkdelen av den tid som det idag tar för en vanlig dator. Istället för bitar i en vanlig dator, som antingen kan ha värdet 0 eller 1, använder kvantdatorer kvantbitar som kan vara både 0 och 1 samtidigt. Flera lovande implementationer av sådana kvantbitar använder sig av mikrovågsfotoner för kommunikation och avläsning av information från beräkningarna. Problemet är att diskreta energipaket av ljus, som mikrovågsfotonerna utgör, har mycket mindre energi än synligt ljus. Därför krävs känsliga och avancerade detektorer för att kunna detektera dessa fotoner.

På fotonnivå beter sig ljus annorlunda beroende på hur det har skapats. Detta analyseras ofta genom fotonstatistik, och går ut på att avgöra hur och med vilket tidsintervall fotoner anländer till en detektor. Det finns tre typer av ljus på fotonnivå, och en avancerad detektor behöver kunna skilja på och avgöra vilken typ som detekteras. Detta kräver förstås en välfungerande fotonkälla, som kan emittera fotoner med en specifik fotonstatistik. Det här arbetet undersöker emissionen från en sådan fotonkälla, som sänder ut termiska fotoner. Termiska fotoner är ljus som har sitt ursprung från värme, och har en specifik statistik som innebär att fotonerna tenderar att emitteras i klungor.

Termiskt ljus är inget unikt för stjärnor eller glödlampor - det finns tvärtom överallt runt oss där det finns värme. I det här sammanhanget behöver dock inte värme vara en temperatur som för oss upplevs varmt, utan termiska fotoner emitteras från alla objekt som har en temperatur över den absoluta nollpunkten. Vilka våglängder som de emitterade fotonerna har beror dock på temperaturen. Det är därför vi kan se ljuset från en stjärna eller glödlampa men inte ljuset från ett objekt i rumstemperatur, eftersom detta objekt inte har tillräckligt mycket värmeenergi för att kunna emittera fotoner med en våglängd i det synliga spektrat.

I det här arbetet undersöks absorptionen och emissionen av termiska mikrovågsfotoner från en liten remsa koppar på nanoskala vid temperaturer mellan 35-500 millikelvin. Vid så här extremt låga temperaturer - bara några tusendelar av en grad ovanför den absoluta nollpunkten - blir emissionen av termiska fotoner en viktig orsak till värmespridning mellan kopparremsan och dess omgivning. Vid rumstemperatur så sprids värme främst genom att fria elektroner rör sig eller genom att atomerna i materialet vibrerar. Men när ett system kyls ner till millikelvinområdet fryser dessa traditionella värmeledningsmekanismer i stort sett fast. Istället transporteras energin genom ett utbyte av termiska fotoner. Genom att mäta emissionen av termiska mikrovågsfotoner kan vi därför också direkt mäta energin från fotonisk värmeledning.

Våra mätningar visar att vi kan uppnå nära perfekt absorption och emission av fotoner. Den uppmätta emissionen av termiska fotoner som funktion av temperatur överenstämmer därför med den teoretiskt maximalt möjliga värmeledningen via fotoner. Även om den fotoniska värmeledningen mellan strukturer har mätts tidigare, utgör det här den första direkta mätningen. Resultaten visar att strukturen fungerar bra som en effektiv och kontrollerbar emitterare av termiska fotoner.

• author: Holmström, Hilma
• supervisor: Ville Maisi; Andrea Cicovic
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: photon source, thermal emission, photonic heat flow, thermal photons, NIS junctions
• language: English
• id: 9228996
• date added to LUP: 2026-05-29 09:26:45
• date last changed: 2026-05-29 09:26:45