Upload
saul
View
32
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 ). Czy obiekty makroskopowe zachowują się kwantowo?. IV curve. Quasiparticle branch. Supercurrent branch. switching. I sw. retrapping. Hysteretic behavior !!!. V jsw = I sw R b. Subgap current. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
JJ = sztuczny atom(Wykład 2)
Czy obiekty makroskopowe zachowują się kwantowo?
IV curve
I-V characteristics of JJ biased through RB bias resistor. JJ supports supercurrent only to certain level. On crossing the threshold value I0 finite voltage develops across JJ.
Vjsw = IswRb
Isw
Supercurrent branch
Subgap current
Quasiparticle branch
-450-400-350-300-250-200-150-100-50 0 50 100150200 250300350400450-600
-400
-200
0
200
400
600
curr
ent(nA
)
voltage(µV)
B
switching
retrapping
Hysteretic behavior !!!
)(1
,0
)(11
)(
lineswitchingIVR
I
R
VIIandVVVswitchingAt
lineloadVR
VR
IVRIV
VII
swjb
j
b
bswswjbswbj
bb
jb
jjbjB
jjj
RCSJ model(Resistively and Capacitively Shunted Junction)
sin0 Idt
dVC
R
VIIII JJCRb
Thevenin equivalent Norton equivalent
Tilted washboard potential
)(cos0
I
IEE b
Jp <-> x
V/0 (napięcie) <-> v (prędkość)
JJ zastosowania
Motywacja dla fizyka/filozofa:
- testowanie idei mechaniki kwantowej na obiektach makroskopowych (na zmiennych opisujących układy składające się z makroskopowej liczby cząstek);
1. oscylator kwantowy = 2 atomy połączone sprężynką, energia drgań przybiera ściśle określone wartości Czy drgania „plasmy” na złączu Josephsona są również skwantowane?
2. Tunelowanie. Czy mogą mu podlegać zespoły składające się z wielkiej liczby cząstek (Macroscopi Quantum Tunelling).
3. Superpozycja. Jeśli stany oscylatora JJ są skwantowane, to czy można umieszczać go w superpozycji tych stanów?
4. Czy istnieje splątanie kwantowe? („spooky action at distance”)
JJ = SZTUCZNY ATOM z drucikami („macroscopic nuclei with wires”)!!!
Obraz klasyczny vs. kwantowy
Obraz klasyczny – punktowa cząstkaz dowolną energią
Obraz kwantowy – cząstka to paczka falowa i energia jest skwantowana
U(
)
U(
)
0()
JJ zastosowania
Motywacja dla inżyniera:
1. SQUID = 2xJJ, najczulszy detektor pola magnetycznego
2. JJ to detektor progowy (threshold detector)
3. JJ – podstawowy element nadprzewodzących obwodów elektrycznych (JJ = nieliniowa indukcyjność) => np. 1D rezonatory o regulowanej częstotliwości rezonansowej
4. Superconducting qubits – podstawowy składnik komputera kwantowego
JJ – detektor progowy(w poszukiwaniu EMF)
Fig.4. The current going through JJ switch results from biasing it from voltage source VB through bias resistor RB , and the current generated due to EMF (IEMF = EMF/R). If this current is above the threshold value the JJ switches and a voltage develops. JJ can be easily read-out by a voltmeter.
Thermal fluctuations, ruchy Browna, 1D random walk
Q (quality factor) <-> hysteresis
Tailoring environment
Alx0y
Bottom electrode Al
Al Al AlImpedance spectrum up to 67kHz
ALSN2no2Cg = 134pFRg=29.8MomCc=109pFRc=12.9Mom
C = 60pF
ALSN2no2Cg = 164pFRg=12.7MomCc=100pFRc=9.8Mom
C = 62pF
On-chip capacitor
Thermal vs. Quantum fluctuations
)exp(Tk
U
Bthermal
)exp(CH
quantum E
U
U
’s denote rates for both processes.
Superconducting Wave can relax to a state of lower energy changing its quantum state in two ways:
1. Via thermally activated phase slips 2. Via Quantum Phase Slips (tunneling, even at T -> 0)
Since many Cooper pairs are involved in such change we call it
Macroscopic Quantum Tunneling.
Switching
4/120
0
2/3 )1(,,)1(3
24)(
),exp(2
1),exp(1
sI
IssEsU
lawArrheniusTk
U
TP
ppb
J
B
p
Proces Poissona -> JJ switching, shot noise (szum śrutowy), Drude model przewodnictwa, padający deszcz, rozpad promieniotwórczy, przełączanie domen magnetycznych
Up
IB < I0
Switching probability - pomiar
S-curve
Effective temperature and critical current
Czy tylko termiczne wzbudzenia…?
Tescape in MQT regime
Tescape in thermal regime
PRL, M.H.Devoret et. al, Measurements of Macroscopic Quantum Tunnelling of the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction
Resonant switching
(0) – średni czas przebywania cząstki w stanie metastabilnym
(P) – średni czas przebywania cząstki w stanie metastabilnym w obecności mikrofal o mocy P
PRL, M.H.Devoret et. al, Resonant Activation from the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction
Nanomagnet switching
Zapisywanie bitów
easy axis
Hard axis
Thermal stability of bits
MQT – inne układy fizyczne
• Druciki nadprzewodzące (moje PhD)
• Klastry magnetyczne (obecnie)
= 40o
Evolution under beam bombardment of the same single wire
Goal: to study progressive development of the effect as the function of wire diameter
Human hair is approx. 80 m thick.
Wire is approx. 10nm thick
=> it is 8000 times thinner than your hair
Argon ions used as cannon balls kicking out
atoms from the bombarded material
(so called sputtering).
R(T) transitions
Breakdown of Superconductivity due to
Tunneling of Superconducting Wave Function
1/2 =19 nm
1/2 =17 nm
1/2 =16 nm
1/2 =15 nm
Same aluminium nanowire after sessions of sputtering:resistance dramatically changes by 1 nm diameter reduction!
SQUID
• Superconducting Quantum Interference Device
Wiring a SQUID…
VRb=200
Bias resistor
SQUID - Electrical circuit
0
2
– strumień magnetyczny przez pętle SQUIDa,
- faza „magnetyczna”
Ip = persistent current = nadprzewodzący prąd wirowy
Critical current of the SQUID
)(2/1 pbJ III
)(2/2 pbJ III
quantumfluxWbe
h
ifII
II
II
IIIII
c
bc
b
JJb
150
210
0
021
21
210
2121021021
1022
22&
22)cos(2
2&22
max
2sin
2cos2
2cos
2sin2)sin(sin
Dla Ij1 = 0, Ij2 = 0 => dowolnie mały prąd zasilający Ib spowoduje włączenie się SQUIDu
SQUID = JJ z regulowanym polem magnetycznym prądem krytycznym
Fraunhofer pattern for SQUID
Symmetric Squid is superconducting analog of 2 slits optical interferometer: applied flux d*sin - path differenceFlux quantum – – wavelength
For symmetric SQUID (2 x JJ): )cos(20
0
JJc II
SQUID
Świat Nauki, X 1994, John Clarke
SQUID – różne konfiguracje
Okablowanie kriostatu
501
2
501
1
2
r
R
– tlumienie-10dB(R=35 Ohm, r=26 Ohm)-20dB (R=41 Ohm, r=10 Ohm)
log20
db
in
out
V
V