jj = sztuczny atom ( wykład 2 )
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 PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/1.jpg)
JJ = sztuczny atom(Wykład 2)
Czy obiekty makroskopowe zachowują się kwantowo?
![Page 2: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/3.jpg)
RCSJ model(Resistively and Capacitively Shunted Junction)
sin0 Idt
dVC
R
VIIII JJCRb
Thevenin equivalent Norton equivalent
![Page 4: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/4.jpg)
Tilted washboard potential
)(cos0
I
IEE b
Jp <-> x
V/0 (napięcie) <-> v (prędkość)
![Page 5: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/5.jpg)
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”)!!!
![Page 6: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/6.jpg)
Obraz klasyczny vs. kwantowy
Obraz klasyczny – punktowa cząstkaz dowolną energią
Obraz kwantowy – cząstka to paczka falowa i energia jest skwantowana
U(
)
U(
)
0()
![Page 7: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/7.jpg)
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
![Page 8: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/8.jpg)
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.
![Page 9: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/9.jpg)
Thermal fluctuations, ruchy Browna, 1D random walk
![Page 10: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/10.jpg)
Q (quality factor) <-> hysteresis
![Page 11: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/11.jpg)
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
![Page 12: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/12.jpg)
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.
![Page 13: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/14.jpg)
Switching probability - pomiar
S-curve
![Page 15: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/15.jpg)
Effective temperature and critical current
![Page 16: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/16.jpg)
Czy tylko termiczne wzbudzenia…?
Tescape in MQT regime
Tescape in thermal regime
![Page 17: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/17.jpg)
PRL, M.H.Devoret et. al, Measurements of Macroscopic Quantum Tunnelling of the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction
![Page 18: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/19.jpg)
Nanomagnet switching
![Page 20: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/20.jpg)
Zapisywanie bitów
easy axis
Hard axis
![Page 21: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/21.jpg)
Thermal stability of bits
![Page 22: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/22.jpg)
![Page 23: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/23.jpg)
MQT – inne układy fizyczne
• Druciki nadprzewodzące (moje PhD)
• Klastry magnetyczne (obecnie)
![Page 24: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/24.jpg)
= 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).
![Page 25: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/25.jpg)
R(T) transitions
![Page 26: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/26.jpg)
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!
![Page 27: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/27.jpg)
SQUID
• Superconducting Quantum Interference Device
![Page 28: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/28.jpg)
Wiring a SQUID…
VRb=200
Bias resistor
![Page 29: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/29.jpg)
SQUID - Electrical circuit
0
2
– strumień magnetyczny przez pętle SQUIDa,
- faza „magnetyczna”
Ip = persistent current = nadprzewodzący prąd wirowy
![Page 30: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/30.jpg)
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
![Page 31: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/32.jpg)
SQUID
Świat Nauki, X 1994, John Clarke
![Page 33: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/33.jpg)
SQUID – różne konfiguracje
![Page 34: JJ = sztuczny atom ( Wykład 2 )](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062410/56815914550346895dc63ef2/html5/thumbnails/34.jpg)
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