Ny Josephson junction undersøgelse forbinder kvanteteori med eksperimenter

Josephson-krydset er et af de vigtigste elementer i at omdanne kvantefænomener til brugbar teknologi.

En ny RMIT-undersøgelse etablerer en teoretisk ramme for nye optiske eksperimenter på disse nøgleenheder, med implikationer for fremtidig grundlæggende kvanteforskning og applikationer såsom kvanteberegning.

Josephson junction undersøgelser

Josephson junctions kan dannes af to superledende plader, adskilt af et meget tyndt isolerende lag, med elektronisk ladning, der bevæger sig fra den ene plade til den anden via kvantetunnelering, og er en vigtig bro mellem kvantemekanik på mikroskala og praktiske teknologier på makroskala.

Applikationer omfatter eksisterende enheder såsom magnetfeltdetektorer (kaldet SQUID'er), og nye teknologier såsom kvantecomputere.

Josephson-kryds er også af interesse fra et grundlæggende perspektiv, bruges som fysiske realiseringer af teoretiske modeller til at studere faseovergange og topologiske excitationer.

Fremstillingsteknologien til disse systemer er nu tilstrækkelig avanceret til, at de parametre, der styrer den relevante fysik, kan finjusteres med en høj grad af præcision.

Skift eksperimentelt fokus fra elektronisk transport til mikrobølger

Undersøgelser af Josephson junction-enheder til dato har typisk fokuseret på elektroniske transportmålinger:eksperimentatorer fastgør metalliske ledninger til enheden, påføre en spænding, og mål den resulterende udgangsstrøm.

Imidlertid, tilstedeværelsen af ​​disse elektriske forbindelser introducerer uundgåeligt en yderligere støjkilde, hvilket ødelægger mange af de kvanteeffekter, som forsøgslederne ønsker at studere.

Afhjælpning af denne ladestøj, og minimere interaktionen mellem kvanteanordningen og den støjende omverden, er store udfordringer for udviklingen af ​​praktiske kvanteteknologier.

Nylige eksperimenter (Hiroshi Nakamura, Riken, Japan) har omgået problemet med støjende ledninger ved at placere deres enhed i et 3-D-hulrum, hvor systemet kan sonderes via mikrobølger. Dette reducerer kontakten mellem enheden og miljøet, giver mulighed for meget renere og mere sammenhængende undersøgelser.

Eksperimentet, der udføres, er ikke længere elektronisk transport, men spektroskopi.

For at maksimere succesen med denne radikale nye teknik, nye tilgange er nødvendige for at beskrive eksperimenterne teoretisk.

Ny teoretisk ramme:hvirvler forbinder teori med eksperimenter

Den nye RMIT-undersøgelse etablerer en teoretisk ramme for modellering af disse spektroskopiske, mikrobølgeforsøg på Josephson-kryds.

Undersøgelsen fokuserer på hvirvler skabt af magnetiske felter, der trænger gennem eventuelle lukkede sløjfer i kredsløbet.

Indgående mikrobølger kan drive overgange mellem forskellige hvirveltilstande, hvilket fører til en målbar respons.

Teorien udviklet på RMIT giver en generel ramme for at konstruere en beskrivelse af vilkårlige plane kredsløb og udvinde målbare mængder fra den underliggende teori.

"Dette arbejde forbinder teori med eksperimenter, " siger hovedforfatter, FLÅDE Ph.D. studerende Sam Wilkinson. "Det forbinder teoretiske formuleringer af superledende netværk til mikrobølgespektroskopiske eksperimenter, og bør åbne nye veje til at designe og beskrive sammenhængende kvantesystemer."

Fordi Josephson junction arrays kan designes og manipuleres med en stor grad af kontrol, de lavede ideelle modelsystemer til at studere kompliceret mange-kropsfysik. Disse systemer har en tendens til at udvise meget langtrækkende interaktioner og meget stærk kobling - to funktioner, der typisk gør systemer vanskelige at studere teoretisk.

"Vi håber, at vores Josephson junction undersøgelser også vil hjælpe med andre komplekse undersøgelser, " siger gruppeleder professor Jared Cole. "Forhåbentlig, ved at udvikle værktøjer til at forstå disse kontrollerbare systemer, vi vil lære lektier, der kan anvendes på andre meget interagerende systemer - systemer, hvor vi typisk har mindre eksperimentel kontrol."