JJ = sztuczny atom (Wykład 2) Czy obiekty makroskopowe zachowują się kwantowo?

IV curve Isw switching Quasiparticle branch Supercurrent branch retrapping Hysteretic behavior !!! Vjsw = IswRb Isw Supercurrent branch Subgap current Quasiparticle branch 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.

RCSJ model (Resistively and Capacitively Shunted Junction) Thevenin equivalent Norton equivalent 

Tilted washboard potential <-> x V/j0 (napięcie) <-> v (prędkość)

JJ zastosowania JJ = SZTUCZNY ATOM z drucikami Motywacja dla fizyka/filozofa: - testowanie idei mechaniki kwantowej na obiektach makroskopowych (na zmiennych opisujących układy składające się z makroskopowej liczby cząstek); oscylator kwantowy = 2 atomy połączone sprężynką, energia drgań przybiera ściśle określone wartości  Czy drgania „plasmy” na złączu Josephsona są również skwantowane? Tunelowanie. Czy mogą mu podlegać zespoły składające się z wielkiej liczby cząstek (Macroscopi Quantum Tunelling). Superpozycja. Jeśli stany oscylatora JJ są skwantowane, to czy można umieszczać go w superpozycji tych stanów? Czy istnieje splątanie kwantowe? („spooky action at distance”) JJ = SZTUCZNY ATOM z drucikami („macroscopic nuclei with wires”)!!!

Obraz klasyczny vs. kwantowy d U(d) Y0(d) Obraz klasyczny – punktowa cząstka z dowolną energią Obraz kwantowy – cząstka to paczka falowa i energia jest skwantowana

JJ zastosowania Motywacja dla inżyniera: SQUID = 2xJJ, najczulszy detektor pola magnetycznego JJ to detektor progowy (threshold detector) JJ – podstawowy element nadprzewodzących obwodów elektrycznych (JJ = nieliniowa indukcyjność) => np. 1D rezonatory o regulowanej częstotliwości rezonansowej 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 Impedance spectrum up to 67kHz w Alx0y Bottom electrode Al Al ALSN2no2 Cg = 134pF Rg=29.8Mom Cc=109pF Rc=12.9Mom C = 60pF On-chip capacitor ALSN2no2 Cg = 164pF Rg=12.7Mom Cc=100pF Rc=9.8Mom C = 62pF

Thermal vs. Quantum fluctuations DU ’s denote rates for both processes. Superconducting Wave can relax to a state of lower energy changing its quantum state in two ways: Via thermally activated phase slips 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 Proces Poissona -> JJ switching, shot noise (szum śrutowy), Drude model przewodnictwa, padający deszcz, rozpad promieniotwórczy, przełączanie domen magnetycznych DU p G 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 t(0) – średni czas przebywania cząstki w stanie metastabilnym t(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)

Goal: to study progressive development of the effect as the function of wire diameter q = 40o Evolution under beam bombardment of the same single wire Argon ions used as cannon balls kicking out atoms from the bombarded material (so called sputtering). Human hair is approx. 80 mm thick. Wire is approx. 10nm thick => it is 8000 times thinner than your hair

R(T) transitions

Breakdown of Superconductivity due to Tunneling of Superconducting Wave Function s1/2 =19 nm s1/2 =17 nm s1/2 =16 nm s1/2 =15 nm Same aluminium nanowire after sessions of sputtering: resistance dramatically changes by 1 nm diameter reduction!

SQUID Superconducting Quantum Interference Device

V Rb=200W Bias resistor Wiring a SQUID… 28

SQUID - Electrical circuit Ip = persistent current = nadprzewodzący prąd wirowy – strumień magnetyczny przez pętle SQUIDa, j - faza „magnetyczna”

Critical current of the SQUID Dla F = F0/2 => g1 = 0, g2 = p => 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 - F  d*sinq - path difference Flux quantum – F0  l – wavelength For symmetric SQUID (2 x JJ):

SQUID Świat Nauki, X 1994, John Clarke

SQUID – różne konfiguracje

Okablowanie kriostatu a– tlumienie -10dB(R=35 Ohm, r=26 Ohm) -20dB (R=41 Ohm, r=10 Ohm)