Mesoskooppinen Josephsonin ilmiö Juha Leppäkangas, Jani Tuorila ja Erkki Thuneberg
Sisältö Suprajohtavuudesta Klassinen Josephsonin ilmiö Mesoskooppinen Josephsonin ilmiö Tutkimus
Suprajohtavuudesta Sähkövastus häviää tietyillä metalleilla hyvin matalissa lämpötiloissa, Tc~1 Kelvin.
Suprajohtavuudesta Sähkövastus häviää tietyillä metalleilla hyvin matalissa lämpötiloissa, Tc~1 Kelvin. Elektronit hylkivät toisiaan, mutta suprajohtavassa tilassa niiden välille syntyy attraktiivinen vuorovaikutus hilavärähtelyjen välityksellä. Elektronit hakeutuvat ”Cooperin” pareiksi. suprajohde e- e- ionihila
Suprajohtavuudesta Suprajohtavuus: Cooperin parit (bosoneita) asettautuvat samaan kvanttimekaaniseen tilaan. Parien dynamiikkaa voidaan kuvata yhden, ns. makroskooppisen aaltofunktion avulla Amplitudin neliö vastaa Cooperin parien hiukkastiheyttä. Vaiheparametrin muutos paikan funktiona johtaa hiukkasvirtaan.
Klassinen Josephsonin ilmiö Brian Josephsonin ennustama (1962), palkkioksi fysiikan Nobel 1973. eriste suprajohde 1 suprajohde 2 Kahden suprajohteen väliin asetetaan ohut eriste.
Klassinen Josephsonin ilmiö Brian Josephsonin ennustama (1962), palkkioksi fysiikan Nobel 1973. eriste suprajohde 1 suprajohde 2 Kahden suprajohteen väliin asetetaan ohut eriste. Cooperin parit voivat tunneloitua eristeen läpi. Päinvastainen virta-jännite-jakauma. jännite=0 jännite≠0
Hiukkasmalli Koko klassinen Josephsonin ilmiö voidaan kuvata yhden muuttujan liikeyhtälön avulla. ”Vaihe-ero” liitoksen yli ”1/2mv2” Kokonaisenergia tuttua muotoa Hiukkanen potentiaalikentässä
Superconducting QUantum Interference Device eli SQUID Asetetaan kaksi Josephsonin liitosta rinnan ja ajetaan magneettikenttää silmukan läpi. Interferenssiefekti eri puolilta tulevien virtojen välillä. Muuttamalla magneettivuota muuttuu systeemin läpi kulkevan virran amplitudi. Kaikkein tarkimmat magneettikentän mittauslaitteet hyödyntävät tätä ilmiötä.
Mesoskooppinen Josephsonin ilmiö Klassinen kuvaus korvattava kvanttimekaanisella kun hiukkasen massa ”pieni”. Klassinen ”paikkakoordinaatti” korvattava kaikkia sen mahdollisia arvoja kuvaavalla aaltofunktiolla. Käytännössä vaaditaan lämpötila~0.1K ja Josephsonin liitoksen poikkipinta-ala ~(μm)2.
Cooperin pari laatikko Systeemin energiatiloihin voidaan vaikuttaa ulkoisesti muuttamalla portti-jännitettä Vg. eriste suprajohde läpäisemätön eriste
Cooperin pari laatikko Systeemin energiatiloihin voidaan vaikuttaa ulkoisesti muuttamalla portti-jännitettä Vg. eriste suprajohde läpäisemätön eriste |Ψ>= C0|0> + C1|1> Schrödingerin kissaparadoksin kokeellinen reaalisaatio
Cooperin pari laatikko Systeemin energiatiloihin voidaan vaikuttaa ulkoisesti muuttamalla portti-jännitettä Vg. eriste suprajohde läpäisemätön eriste |Ψ>= C0|0> + C1|1> Schrödingerin kissaparadoksin kokeellinen reaalisaatio
Tutkimus Tärkeätä niin makroskooppisen kvanttimekaniikan perustutkimuksen kuin sovellutustenkin kannalta.
Tutkimus Ryhmämme osallistunut mm. TKK:n kylmälaboratoriossa tehtyjen kokeiden mallintamiseen, joiden tarkoituksena oli Josephsonin liitoksen ylempien energiatasojen tutkiminen.
Tutkimus, nanoteknologia Josephson liitosta voidaan pitää erittäin tarkkana nanoteknologiaan soveltuvana mittalaitteena. Porttijänniteherkkyys: Esim. varausmittari jonka tarkkuus on murto-osa elektronin varauksesta. Herkkyys vuorovaikutukseen ympäristön kanssa: Nanosysteemien ominaisuuksien tutkiminen niiden aiheuttaman kohinan välityksellä. Lämpöherkkyys: Lämpötilamittari alle Kelvinin lämpötiloihin. jne…
Tutkimus, kvanttilaskenta Trasistorin pienentämiseen perustuvalla tietokonetehon kasvatuksella on rajansa. Uudenlainen tapa tehdä laskuoperaatioita olisi kvanttilaskenta, jossa käytetään hyväksi vuorovaikuttavien 2-tila-systeemien (kvanttibittien) kvanttimekaanista aikaevoluutiota. Cooperin pari laatikko (tai vastaava) on hyvä ehdokas kvanttibitiksi koska se on helposti liitettävissä toiseen vastaavaan ja muihin sähköisiin komponentteihin. Toistaiseksi ei vielä täysin tunneta miten suprajohteet ja niiden ympäristö vaikuttavat mesoskooppiseen Josephsonin ilmiöön.