New mechanisms for controlling heat flow and for converting heat to work in small-scale solid-state systems are highly desirable, particularly when considering the rapid miniaturization and ever-increasing power densities of electronic devices. Mesoscopic structures, being much larger than individual atoms but still small enough to exhibit some quantum-mechanical features, offer a versatile platform for studying thermal phenomena at reduced length scales.
We perform a theoretical study of two types of mesoscopic heat transport devices, namely heat rectifiers and heat engines. A rectifier is a device which allows heat to flow in one direction but flow in the other direction is suppressed. Two different rectifiers are proposed: one is a nonlinear oscillator controlling photonic heat flow in a microwave circuit, the other is a pair Coulomb blockade islands rectifying electronic heat currents. Particularly the latter device offers rectification performance unparallelled in the literature.
We also propose a new class of thermoelectric heat engines where electrons are transported between two reservoirs but heat is exchanged between the transport system and a third reservoir by microwave photons. Heat and charge flows are therefore separated, offering much greater flexibility than usual thermoelectrics. Also the two heat baths can be widely separated. With an appropriate setup this device can reach very high efficiencies.Uusien tapojen kehittäminen lämmönkuljetukseen ja lämmön muuntamiseen hyötyenergiaksi hyvin pienissä kiinteän olomuodon rakenteissa on olennainen teknologinen tavoite, etenkin kun huomioidaan elektronisten komponenttien nopea pienentymistrendi ja niiden alati kasvava lämmöntuottotiheys. Mesoskooppiset laitteet, jotka ovat kooltaan yksittäisiä atomeja huomattavasti suurempia mutta silti riittävän pieniä jotta kvanttimekaaniset ilmiöt on huomioitava, ovat monipuolinen alusta pienen mittakaavan lämpöilmiöiden tutkimiselle.
Tässä työssä tutkitaan teoreettisesti kahdenlaisia mesoskooppisia lämmönkuljetuslaitteita, lämpödiodeja ja lämpövoimakoneita. Lämpödiodi on laite joka sallii lämpöenergian virtauksen yhteen suuntaan mutta estää sen toiseen suuntaan. Väitös käsittelee kahta erilaista diodia: ensimmäisessä epälineaarinen oskillaattoripiiri kontrolloi fotonien kuljettamaa lämpöä, toisessa lämmön tasasuuntaukseen käytetään Coulombin saartoon perustuvia yksielektronisaarekkeita. Erityisesti jälkimmäinen laite on poikkeuksellisen suorituskykyinen.
Työssä käsitellään myös uudentyyppisiä lämpövoimakoneita, joiden toimintaperiaate poikkeaa olennaisesti perinteisistä lämpösähkögeneraattoreista. Ehdotetussa laitetyypissä elektronit tuottavat hyötytehon kulkemalla kahden samanlämpöisen metallin välillä, lämpö puolestaan tuodaan kolmannesta metallista mikroaaltofotonien välityksellä. Lämpö- ja sähkövirtojen erottaminen mahdollistaa monipuoliset rakenteelliset ratkaisut, esimerkiksi lämpölähteet voivat olla hyvinkin kaukana toisistaan. Saavutettavat hyötysuhteet ovat kuitenkin samoja kuin pelkästään elektroneihin perustuvissa laitteissa
