Strong gate coupling of high-Q nanomechanical resonators

The detection of mechanical vibrations near the quantum limit is a formidable challenge since the displacement becomes vanishingly small when the number of phonon quanta tends towards zero. An interesting setup for on-chip nanomechanical resonators is that of coupling them to electrical microwave cavities for detection and manipulation. Here we show how to achieve a large cavity coupling energy of up to (2 \pi) 1 MHz/nm for metallic beam resonators at tens of MHz. We used focused ion beam (FIB) cutting to produce uniform slits down to 10 nm, separating patterned resonators from their gate electrodes, in suspended aluminum films. We measured the thermomechanical vibrations down to a temperature of 25 mK, and we obtained a low number of about twenty phonons at the equilibrium bath temperature. The mechanical properties of Al were excellent after FIB cutting and we recorded a quality factor of Q ~ 3 x 10^5 for a 67 MHz resonator at a temperature of 25 mK. Between 0.2K and 2K we find that the dissipation is linearly proportional to the temperature.Comment: 6 page

Pharmacological inhibition of 17β-hydroxysteroid dehydrogenase impairs human endometrial cancer growth in an orthotopic xenograft mouse model

Endometrial cancer (EC) is the most common gynaecological tumor in developed countries and its incidence is increasing. Approximately 80% of newly diagnosed EC cases are estrogen-dependent. Type 1 17β-hydroxysteroid dehydrogenase (17β-HSD-1) is the enzyme that catalyzes the final step in estrogen biosynthesis by reducing the weak estrogen estrone (E1) to the potent estrogen 17β-estradiol (E2), and previous studies showed that this enzyme is implicated in the intratumoral E2 generation in EC. In the present study we employed a recently developed orthotopic and estrogen-dependent xenograft mouse model of EC to show that pharmacological in-hibition of the 17β-HSD-1 enzyme inhibits disease development. Tumors were induced in one uterine horn of athymic nude mice by  intrauterine injection of  the  well-differentiated human endometrial adenocarcinoma Ishikawa cell line, modified to express human 17β-HSD-1 in levels comparable to EC, and the luciferase and green fluorescent protein reporter genes. Controlled estrogen exposure in ovariectomized mice was achieved using subcutaneous MedRod implants that released either the low active estrone (E1) precursor or vehicle. A subgroup of E1 supplemented mice received daily oral gavage of FP4643, a well-characterized 17β-HSD-1 in-hibitor. Bioluminescence imaging (BLI) was used to measure tumor growth non-invasively. At sacrifice, mice receiving E1  and  treated with the  FP4643 inhibitor showed a  significant reduction in  tumor growth by approximately 65% compared to mice receiving E1. Tumors exhibited metastatic spread to the peritoneum, to the  lymphovascular space (LVI), and  to  the  thoracic cavity. Metastatic spread and  LVI  invasion were both significantly reduced in the inhibitor-treated group. Transcriptional profiling of tumors indicated that FP4643 treatment reduced the oncogenic potential at the mRNA level. In conclusion, we show that 17β-HSD-1 inhibition represents a promising novel endocrine treatment for EC.   </div

Producing video-based dynamic multimedia learning material

Tässä diplomityössä selvitettiin oppimateriaaliksi tarkoitetun multimediasisältöjen tuottamista dynaamisesti painopisteen ollessa videopohjaisissa sisällöissä. Lisäksi työssä toteutettiin verkko-oppimisympäristö, jonka päätoiminnallisuuksina ovat verkkovideoiden hallinta ja julkaiseminen kirjastonäkymien avulla sekä videoleikkeiden kommentointi ajastettujen tekstileikkeiden avulla. Videon ja sen ohella myös äänen käyttö ovat lisääntynyt voimakkaasti verkossa oppimateriaalina pakkaustekniikoiden ja tietoverkkojen kehittymisen myötä. Toisin kuin WWW-palvelimilla olevissa teksti- ja kuvasisällöissä, videota sisältävissä multimediaesityksissä ei käytetä juuri lainkaan hyväksi sisällön räätälöintiä katselijan mukaan eikä tietokantoja datan säilytyspaikkana, vaan verkkomultimedia tuotetaan staattisiksi tiedostoiksi sisällöntuottajan työasemalle, josta ne siirretään WWW- tai mediapalvelimille käyttäjien katseltaviksi. Dynaamisuudella saavutetaan katselijakohtaisen räätälöitävyyden mukanaan tuomat edut, mutta myös muita hyötyjä on saavutettavissa. Medialeikkeiden uudelleenkäytön lisäksi multimediasisältöjen julkaisemista voidaan helpottaa selainkäyttöliittymän kautta käytettävillä hallintatyövälineillä ja itse sisällön tuottamistakin voidaan yksinkertaistaa, kuten tässä työssä toteutettu videoleikkeiden kommentointityöväline on osoittanut. Dynaamisen verkkomultimedian tuottamiseen on olemassa useita eri tekniikoita, joista tässä työssä hyödynnettiin menestyksekkäästi W3C:n määrittelemää multimedian kuvauskieltä SMIL:iä. Dynaamisuus tuo mukanaan myös tiettyjä vaatimuksia, joista tärkeimpiä ovat multimediasisältöjen rakenteistaminen ja metatiedon kerääminen mediaelementeistä tuotannon kaikissa vaiheissa käsikirjoittamisesta tuotantoon ja julkaisuun saakka

Yksiseinämäiset hiilinanoputket epälineaarisina mekaanisina resonaattoreina

Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) possess extraordinary electrical and mechanical properties. They have very high Young's modulus, which means that they are extremely stiff when stretched along the tube axis. Resulting high spring constants and intrinsically low masses of SWNTs make them ideal for fabricating mechanical resonators with high resonance frequencies. The high crystallinity of SWNT samples that can be produced with the state of the art sample fabrication methods ensures very high Q-factors despite the high operation frequencies. In this thesis we report measurement data from a sample demonstrating mechanical resonance frequency of 262 MHz with a quality factor of 256 000. Clamping of a nanotube between metal electrodes naturally forms tunnel barriers to contact interfaces thus creating a quantum dot (QD). It has been previously shown that suspended SWNT devices have a strong coupling between the charge degree of freedom and the mechanical oscillation. Single electron tunneling for example increases damping of the movement and softens the spring constant. In addition, electron-transport-induced Duffing nonlinearity easily pushes the resonator to nonlinear operation regime and dominates the highoscillation amplitude behavior. Our experiments demonstrate first time that higher than third order nonlinearities can dominate the dynamics of SWNT resonators. Addition of a displacement amplitude dependent fifth order term to the Duffing equation of motion qualitatively explains the measurement results. When the cubic and fifth order terms are of the same magnitude but have opposite signs, the higher order nonlinearity presents itself as mixed hardening and softening behavior observed as a function of oscillation amplitude within a single response curve. The single electron tunneling induced Duffing parameter allows compensating the cubic term out of the equation of motion causing the high amplitude oscillation to be limited by the fifth order term. We have also studied if the mechanical oscillation can be used for improving the charge sensitivity of the carbon nanotube QD. We found 5.2 ?e/(Hz)1/2 at 73 Hz in the conventional single electron transistor (SET) operation scheme where the Coulomb blockade induced conductance variation was used for signal amplification. Driving the mechanical resonance far in to the nonlinear regime causes a prominent gate voltage dependent change in to the low frequency conductance of the QD. Optimal sensitivity was found by biasing the QD to a charge degeneracy point, where only the mechanical oscillation induced transconductance contributes to the sensitivity. The smallest measured value was 1.37 ?e/(Hz)1/2, which is almost four times better than in the conventional SET scheme. It sets a new record for low frequency SETs and all CNT devices. The reached sensitivity is also very good when compared to the record holding metallic radio frequency SETs.Yksiseinämäiset hiilinanoputket omaavat poikkeukselliset sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet. Nanoputkien Youngin moduuli on erittäin suuri, mikä tarkoittaa, että putki on erittäin jäykkä pituussuunnassa venytettäessä. Korkeasta kimmokertoimesta seuraava suuri jousivakio ja nanoputken molekyyliluonteesta johtuva pieni massa takaavat nanoputkilaitteille niiden tyypilliset korkeat mekaaniset resonanssitaajudet. Korkeista resonanssitaajuuksista huolimatta myös mekaaniset Q-arvot ovat erittäin suuria, minkä mahdollistavat nykyaikaiset näytteenvalmistusmenetelmät, joilla kyetään tuottamaan miltei täydellisen kiderakenteen omaavia ripustettuja nanoputkia. Tässä työssä esittelen mittaustuloksia näytteestä, jonka resonanssitaajuus on 262 MHz ja Q-arvo 256 000. Kun nanoputki kytketään kahden elektrodin väliin, rajapintoihin muodostuu tunneliliitokset joiden ansiosta elektronien energiatilat kvantittuvat. Varausvapausaste ja mekaaninen värähtely ovat toisiinsa voimakkaasti kytkeytyneitä, mikä nähdään muun muassa lisääntyneenä mekaanisen värähtelyn vaimennuksena ja jousivakion pienenemisenä. Lisäksi, varauskuljetuksen indusoima Duffing, kuutiollinen, epälineaarisuus on riittävän suuri ajamaan mekaanisen resonaattorin kauas epälineaariselle toiminta-alueelle. Tässä työssä näytämme ensimmäistä kertaa, että kolmatta astetta korkeammat epälineaarisuudet voivat dominoida mekaanisen hiilinanoputkiresonaattorin dynamiikkaa. Tulokset voidaan selittää laadullisesti lisäämällä Duffing-liikeyhtälöön poikkeaman viidennestä potenssista riippuva termi. Edellyttäen että epälineaarisuustermit ovat suuriamplitudisessa värähtelyssä samaa suuruusluokkaa ja niiden merkit ovat vastakkaiset, viidennen asteen termin vaikutus nähdään resonanssikäyrän suuremmille/pienemmille taajuuksille taipumisen jälkeen havaittavana matalammille/korkeammille taajuuksille kääntymisenä. Varauksen kuljetuksen indusoima Duffing-parametri mahdollistaa kuutiollisen epälineaarisuuden kompensoinnin, jolloin korkeamman asteen termi dominoi suuren amplitudin liikettä. Mekaanisten epälineaarisuuksien lisäksi tutkimme kuinka mekaanista värähtelyä voidaan käyttää laitteen varausherkkyyden parantamiseen. Perinteisessä yksielektronitransistori mittauksessa, jossa hyödynnettiin ainoastaan Coulombin saarrosta seuraavaa johtavuuskäyttäytymistä, saavutettiin varausherkkyys 5.2 ?e/(Hz)1/2 taajuudella 73 Hz. Mekaanisen värähtelyn ajaminen kauas epälineaariselle alueelle aiheuttaa nanoputkikanavan matalataajuusjohtavuuteen voimakkaan gatejänniteriippuvuuden. Paras varausherkkyys, 1.37 ?e/(Hz)1/2, saavutettiin biasoimalla näyte varausdegeneraatiopisteeseen eli pisteeseen, jossa ainoastaan mekaanisen oskillaation aiheuttama trankonduktanssi vaikuttaa mittaukseen. Tulos on tietääksemme ennätys matalataajuusyksielektronitransistoreille ja kaikille nanoputkilaitteille. Tulos on myös kilpailukykyinen verrattaessa radiotaajuuksilla operoitaviin yksielektronitransistorilaitteisiin

Producing video-based dynamic multimedia learning material

Tässä diplomityössä selvitettiin oppimateriaaliksi tarkoitetun multimediasisältöjen tuottamista dynaamisesti painopisteen ollessa videopohjaisissa sisällöissä. Lisäksi työssä toteutettiin verkko-oppimisympäristö, jonka päätoiminnallisuuksina ovat verkkovideoiden hallinta ja julkaiseminen kirjastonäkymien avulla sekä videoleikkeiden kommentointi ajastettujen tekstileikkeiden avulla. Videon ja sen ohella myös äänen käyttö ovat lisääntynyt voimakkaasti verkossa oppimateriaalina pakkaustekniikoiden ja tietoverkkojen kehittymisen myötä. Toisin kuin WWW-palvelimilla olevissa teksti- ja kuvasisällöissä, videota sisältävissä multimediaesityksissä ei käytetä juuri lainkaan hyväksi sisällön räätälöintiä katselijan mukaan eikä tietokantoja datan säilytyspaikkana, vaan verkkomultimedia tuotetaan staattisiksi tiedostoiksi sisällöntuottajan työasemalle, josta ne siirretään WWW- tai mediapalvelimille käyttäjien katseltaviksi. Dynaamisuudella saavutetaan katselijakohtaisen räätälöitävyyden mukanaan tuomat edut, mutta myös muita hyötyjä on saavutettavissa. Medialeikkeiden uudelleenkäytön lisäksi multimediasisältöjen julkaisemista voidaan helpottaa selainkäyttöliittymän kautta käytettävillä hallintatyövälineillä ja itse sisällön tuottamistakin voidaan yksinkertaistaa, kuten tässä työssä toteutettu videoleikkeiden kommentointityöväline on osoittanut. Dynaamisen verkkomultimedian tuottamiseen on olemassa useita eri tekniikoita, joista tässä työssä hyödynnettiin menestyksekkäästi W3C:n määrittelemää multimedian kuvauskieltä SMIL:iä. Dynaamisuus tuo mukanaan myös tiettyjä vaatimuksia, joista tärkeimpiä ovat multimediasisältöjen rakenteistaminen ja metatiedon kerääminen mediaelementeistä tuotannon kaikissa vaiheissa käsikirjoittamisesta tuotantoon ja julkaisuun saakka

Hiilinanoputkista ja grafeenista valmistetut nanomekaaniset ja suprajohtavat sensorit

This thesis deals with proof of concept experiments made at cryogenic temperatures on carbon nanotubes, graphene, and nanomechanical resonators. The work also addresses self assembly of molecules on graphene. The main emphasis of the thesis is on charge detection with carbon nanotube devices. Single electron transistors and quantum dots are the most sensitive charge detectors available at present. Their operation is based on Coulomb blockade, which causes the conductance of the device to be sensitive on subelectron changes in external charge. We studied how coupling between single electron tunneling and mechanical oscillation in a suspended single-walled nanotube quantum dot affects the charge sensitivity and found that mechanically induced conductance changes of the nanotube can improve its sensitivity as an electrometer. The result is comparable to the state of the art radio frequency single electron transistors, but at audio frequencies, where high sensitivities are harder to reach. In second carbon nanotube experiment, we coupled a multiwalled nanotube with superconducting electrodes and proximity induced superconductivity directly to a microwave transmission line. The device was found to work as a sensitive wideband electrometer. The study on mechanical resonators concentrates on nonlinear properties of single-walled carbon nanotube resonators and on readout of doubly clamped aluminium beam resonators. We found that because of the strong coupling between mechanical motion and single electron tunneling in carbon nanotubes, third order conservative Duffing non-linearity can be compensated out, causing the conservative fifth order term to dominate high amplitude mechanical motion. In the study of metallic beam resonators coupled to LC-circuits, we found that the sensitivity of the readout can be improved via focused ion beam processing that facilitates devices with gate capacitances that are larger than in previous devices used for similar purpose. The final part of the thesis deals with two experiments in graphene. A graphene flake coupled to superconducting electrodes was operated as a cryogenic thermometer. The proximity induced supercurrent of the sample could also be used for probing inelastic electron-electron interaction in graphene. The interaction strength was found to be two orders of magnitude larger than expected for comparable two-dimensional metallic systems. In the second experiment, we studied self organization of cobalt phthalocyanine (CoPc) molecules on graphene. Results suggest that CoPc/graphene/hexagonal boron nitride systems are suitable for creating graphene with controlled doping and superimposed molecule-scale periodic potential.Tämä väitöskirja koostuu matalissa lämpötiloissa hiilinanoputkilla, grefeenilla ja nano-mekaanisilla resonaattoreilla tehdyistä kokeista. Tarkastelemme myös molekyylien itsejärjestäytymistä grafeenin pinnalla. Väitöskirjan pääpaino on hiilinanoputkilla tehdyissä varauksen havainnointimittauksissa. Yksielektronitransistorit ja kvanttipisteet ovat herkimpiä tunnettuja varausmittareita. Niiden toiminta perustuu Coulombin saartoon, jonka seurauksena laitteen johtavuus on herkkä sen ympäristössä tapahtuville elektronin murto-osaa vastaaville muutoksille. Tutkimme kuinka ripustetuille yksiseinämäisille nanoputkille tyypillinen voimakas kytkeytyminen elektronien tunneloitumisen ja mekaanisen liikkeen välillä vaikuttaa niiden varausherkkyytteen. Tarkastelumme osoittaa, että mekaanisesta värähtelystä aiheutuvat muutokset ripustetun nanoputkikvanttipisteen johtavuudessa voivat parantaa varausherkkyyttä. Tulos vastaa parhaiden metallisten radiotaajuusyksielektronitransistorien herkkyyttä. Toisessa nanoputkikokeessa tutkimme kuinka suprajohtavilla kontakteilla varustettu moniseinämäinen hiilinanoputki toimii varausmittarina, kun se kytketään suoraanaaltojohtimeen. Näytämme, että suprajohtavan läheisilmiön vaikutuksesta, nanoputki toimii herkkänä laajakaistaisena varausmittarina. Kokeet mekaanisilla resonaattoreilla keskittyvät yksiseinämäisten nanoputkien epälineaarisiin ominaisuuksiin ja päistäripustettujen alumiininanolankojen värähtelyn mittaamiseen. Havaitsimme, että tunneloitumisen ja mekaanisen liikkeen välinen kytkentä mahdollistaa nanoputkien kuutiollisen konservatiivisen epälineaarisuuskäytöksen minimoin-nin, jonka seurauksena suuren amplitudin liike rajoittuu viidennen asteen konservatiivisen epälineaarisuuden vaikutuksesta. Kokeessa, jossa tarkastelimme alumiininanolankojen kytkeytimistä liikettä mittaavaan LC-piiriin, havaitsimme lukuherkkyyden paranevan, kun näytteet valmistetaan kohdistetun ionisuihkun avulla. Väitöskirjassa esitetään myös kaksi grafeenilla tehtyä koetta. Toisessa osoitimme, että suprajohtavan läheisilmiön ansiosta grafeenia voidaan käyttää lämpömittarina kryogeenisissa olosuhteissa. Tutkimme samalla laitteella epäelastista elektroni-elektroni vuorovaikutusta grafeenissa suprajohtavuutta käyttäen. Vuorovaikutuksen havaittiin olevan kaksi kertaluokkaa voimakkaampi, kuin vastaavalle kaksiulotteiselle systeemille oli odotettu.Lopuksi, tutkimme koboltti ftalosyaninimolekyylien itsejärjestäytymistä grafeenin pinnalla. Tulokset osoittavat, että boorinitridin pinnalla olevalle grafeenille järjestäytyneet molekyylit mahdollistavat grafeenin altistamisen kontrolloidulle periodiselle potentiaalille tai seostamisen epäpuhtauksilla

Wideband superconducting nanotube electrometer

VK: Low Temperature LaboratoryWe have investigated the microwave response of nanotube Josephson junctions at 600–900 MHz at microwave powers corresponding to currents from 0 to 2 × I C in the junction. Compared with theoretical modeling, the response of the junctions corresponds well to the lumped element model of resistively and capacitively shunted junction. We demonstrate the operation of these superconducting FETs as charge detectors at high frequencies without any matching circuits. Gate-voltage-induced charge Q G modifies the critical current I C, which changes the effective impedance of the junction under microwave irradiation. This change, dependent on the transfer characteristics dI C/dQ G, modifies the reflected signal and it can be used for wide band electrometry. We measure a sensitivity of 3.1×10−5 e/Hz√ from a sample which has a maximum switching current of 2.6 nA.Peer reviewe