De Josephson-junctie is een van de belangrijkste elementen om kwantumverschijnselen om te zetten in bruikbare technologie.

Een nieuwe RMIT-studie stelt een theoretisch kader vast voor nieuwe optische experimenten op deze belangrijke apparaten, met implicaties voor toekomstig fundamenteel kwantumonderzoek en toepassingen zoals kwantumcomputing.

Josephson knooppuntstudies

Josephson-juncties kunnen worden gevormd door twee supergeleidende platen, gescheiden door een zeer dunne isolerende laag, met elektronische lading die van de ene plaat naar de andere gaat via kwantumtunneling, en is een belangrijke brug tussen kwantummechanica op microschaal en praktische technologieën op macroschaal.

Toepassingen zijn onder meer bestaande apparaten zoals magnetische velddetectoren (SQUID's genoemd), en opkomende technologieën zoals kwantumcomputers.

Josephson-knooppunten zijn ook van belang vanuit een fundamenteel perspectief, gebruikt als fysieke realisaties van theoretische modellen om faseovergangen en topologische excitaties te bestuderen.

De fabricagetechnologie voor deze systemen is nu voldoende gevorderd dat de parameters die de betreffende fysica beheersen, met een hoge mate van precisie kunnen worden verfijnd.

Experimentele focus verschuiven van elektronisch transport naar microgolven

Studies van Josephson-junction-apparaten tot nu toe waren meestal gericht op elektronische transportmetingen:onderzoekers bevestigen metalen snoeren aan het apparaat, een spanning aanleggen, en meet de resulterende uitgangsstroom.

Echter, de aanwezigheid van die elektrische verbindingen brengt onvermijdelijk een extra bron van ruis met zich mee, die veel van de kwantumeffecten vernietigt die de onderzoekers willen bestuderen.

Het verminderen van dit laadgeluid, en het minimaliseren van de interactie tussen het kwantumapparaat en de lawaaierige buitenwereld, zijn grote uitdagingen voor de ontwikkeling van praktische kwantumtechnologieën.

Recente experimenten (Hiroshi Nakamura, Riken, Japan) hebben het probleem van luidruchtige leidingen omzeild door hun apparaat in een 3D-holte te plaatsen waar het systeem via microgolven kan worden onderzocht. Dit vermindert het contact tussen het apparaat en de omgeving, waardoor een veel schonere en meer samenhangende studie mogelijk is.

Het experiment dat wordt uitgevoerd is niet langer elektronisch transport, maar spectroscopie.

Om het succes van deze radicaal nieuwe techniek te maximaliseren, nieuwe benaderingen zijn nodig om de experimenten theoretisch te beschrijven.

Nieuw theoretisch kader:wervels verbinden theorie met experiment

De nieuwe RMIT-studie schept een theoretisch kader voor het modelleren van deze spectroscopische, microgolfexperimenten op Josephson-knooppunten.

De studie richt zich op wervelingen die worden gecreëerd door magnetische velden die door gesloten lussen in het circuit lopen.

Inkomende microgolven kunnen overgangen tussen verschillende vortextoestanden aansturen, wat leidt tot een meetbare respons.

De bij RMIT ontwikkelde theorie biedt een algemeen kader voor het construeren van een beschrijving van willekeurige vlakke circuits en het extraheren van meetbare grootheden uit de onderliggende theorie.

"Dit werk verbindt theorie met experiment, " zegt hoofdauteur, VLOOT Ph.D. student Sam Wilkinson. "Het verbindt theoretische formuleringen van supergeleidende netwerken met microgolfspectroscopie-experimenten, en zou nieuwe wegen moeten openen voor het ontwerpen en beschrijven van coherente kwantumsystemen."

Omdat Josephson-junctionarrays met een grote mate van controle kunnen worden ontworpen en gemanipuleerd, ze maakten ideale modelsystemen voor het bestuderen van gecompliceerde veellichamenfysica. Deze systemen hebben de neiging om interacties op zeer lange termijn en een zeer sterke koppeling te vertonen - twee kenmerken die het doorgaans moeilijk maken om systemen theoretisch te bestuderen.

"We hopen dat onze Josephson-knooppuntstudies ook zullen helpen bij andere complexe onderzoeken, ", zegt groepsleider prof. Jared Cole. "Hopelijk, door tools te ontwikkelen om deze beheersbare systemen te begrijpen, we zullen lessen leren die kunnen worden toegepast op andere sterk op elkaar inwerkende systemen - systemen waar we doorgaans minder experimentele controle hebben."