Quantum thermodynamics, spintronics and zero modestatistics in topological matter
Topolojik malzemelerde kuantum termodinamik ve spintronik uygulamalar ve sıfır mod istatistiği
- Tez No: 683446
- Danışmanlar: PROF. DR. İNANÇ ADAGİDELİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 154
Özet
Bu tezin amacı, topolojik sistemlerde yük ve spin dinamiklerini, kuantum termodinamik ve spintronik uygulamalar ve kuantum kaos açısından incelemektir. Özellikle, spin-momentum kilitleme özelliğine sahip topolojik sistemleri kullanarak Maxwell'in cini temelli motor uygulamaları için yeni bir yol öneriyoruz. Maxwell'in cini için hafıza kaynağı olarak, genellikle cihazda doğal olarak bulunan nükleer spinleri ve/veya katkılama yoluyla yerleştirilebilen manyetik safsızlık spinleri içeren bir“spin sistemi”kullanıyoruz. Bu Maxwell'in cini uygulamasının önemi, hafıza boyutunun ölçeklenebilirliğidir. İki farklı sistemde iki yeni Maxwell'in cini uygulamasını tanıtıyoruz. İlk sistem, Maxwell'in cini hafızasının sahip olduğu bilgi entropisinin kullanılabilir serbest enerjiye dönüştürülmesini ima eden kuantum bilgi motoru dediğimiz, nükleer spinlerin varlığında bir kuantum spin Hall yalıtkanıdır. Kuantum bilgi motorunda ısı ve yük aktarımını araştırıyor ve hafıza silme ve iş çıkarma protokolünü açıklıyoruz. Örgülü kuantum bilgi motoru dediğimiz ikinci sistem ise, farklı spin ve kiralitelere sahip iki kuantum anormal Hall yalıtkanına bağlı bir kuantum spin Hall yalıtkanından oluşan karma bir sistemdir. Bu sistemin kendine has özelliği, yalnızca Landauer'in sınırında çalışması ve bunun sayesinde daha yüksek verimlilik ve daha yoğun enerji depolama kapasitesi sağlaması değil, aynı zamanda ideal bir memristör olarak ek işlevsellik sunmasıdır. Bundan sonra tartışmayı, manyetik olmayan safsızlık saçılmasından kaynaklı enerji kaybına yol açabilen, spin-momentum kilitli yüzey durumları içeren üç boyutlu topolojik yalıtkanlara genişletiyoruz. Son olarak, Majorana sıfır modlarını barındıran topolojik süperiletkenlerin fermiyonparite geçişlerinin tayfını, tayfsal geometri ve rastlantısal matris kuramı açısından inceliyoruz ve bu tayfın, topolojik süperiletkenin şekline bağlı olduğunu ve yine bu tayfın, kaotik şekilleri tümlevlenebilir şekillerden ayırt edebildiğini buluyoruz.
Özet (Çeviri)
The aim of this thesis is to explore the charge and spin dynamics in topological systems from the point of view of quantum thermodynamics, spintronics and quantum chaos. In particular, we propose and investigate a novel way of implementing Maxwell's demon engines by using topological systems that feature spin-momentum locking. As a memory resource for Maxwell's demon, we utilize a“spin bath”that usually includes the nuclear spins which are naturally present in the device and/or magnetic impurities introduced via doping. The significance of this Maxwell's demon implementation is its scalability of the memory size. We introduce two novel Maxwell's demon implementations on two different setups. The first setup is a quantum spin Hall insulator in the presence of nuclear spins, which we call a quantum information engine, alluding to conversion of information entropy of the Maxwell's demon memory into usable free energy. We investigate heat and charge transport in quantum information engine and describe the protocol for memory erasure and work extraction. The second setup is a hybrid system, composed of a quantum spin Hall insulator connected to two quantum anomalous Hall insulators with different spins and chiralities. The distinctive feature of this setup is that it not only operates at the Landauer's limit, providing higher efficiency and denser energy storage capability at weak couplings, but it also provides additional functionality via its memristive response. Furthermore, we extend the discussion to three dimensional topological insulators, featuring spin-momentum locked surface states that allow dissipative nonmagnetic impurity scattering. Finally, we study the spectra of fermion-parity switches in topological superconductors that host Majorana zero modes from the perspective of spectral geometry and random matrix theory and show that these spectra depend on the geometrical shape of the topological superconductor and can distinguish chaotic shapes from integrable shapes.
Benzer Tezler
- Atomic and island scale diffusion events on Bi2Te3 (0001) surfaces & ultra-thin Bi2Te3 films on SiO2 substrates
Bi2Te3 (0001) yüzeyinde atomik ve ada ölçeklerinde difüzyon & SiO2 alttaşı üzerinde aşırı-ince Bi2Te3 filmleri
MERT TAŞKIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OĞUZHAN GÜRLÜ
- Bunalımlı spin-örgü sisteminin kuantum termodinamiği
Quantum thermodynamics of the frustrated spin-lattice system
SEYİT DENİZ HAN
Doktora
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM AYDINER
- Irreversible quantum thermodynamic processes and quantum heat engines
Tersinmez kuantum termodinamiksel süreçler ve kuantum ısı makinaları
MUSTAFA ÇANDIR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiBolu Abant İzzet Baysal ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FERDİ ALTINTAŞ
- Applications of quantum metrology and thermodynamics in emerging quantum technologies
Kuantum teknolojilerinde kuantum metroloji ve termodinamiğin uygulamaları
ALI PEDRAM
Doktora
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR ESAT MÜSTECAPLIOĞLU
- Nonekstensif fizikte optimizasyon yöntemleri ve bağ koşullarının etkisi
Optimization methods in nonextensive physics and effect of the constraints
HAYDAR UNCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
Fizik ve Fizik MühendisliğiEge ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FEVZİ BÜYÜKKILIÇ