Un nuovo studio sulle giunzioni Josephson collega la teoria dei quanti alla sperimentazione

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giunzione Josephson

La giunzione Josephson è uno degli elementi più importanti per trasformare i fenomeni quantistici in tecnologia utilizzabile.

Un nuovo studio RMIT stabilisce un quadro teorico per la nuova sperimentazione ottica su questi dispositivi chiave, con implicazioni per la futura ricerca quantistica fondamentale e applicazioni come l’informatica quantistica.

Studi sulla giunzione Josephson

Le giunzioni Josephson possono essere formate da due piastre superconduttrici, separate da uno strato isolante molto sottile, con carica elettronica che viaggia da una piastra all’altra attraverso il tunneling quantico, ed è un ponte importante tra la meccanica quantistica e le tecnologie pratiche in micro scala.

Queste applicazioni comprendono dispositivi esistenti come i rilevatori di campo magnetico (chiamati SQUID) e tecnologie emergenti come i computer quantistici. Le giunzioni Josephson sono anche di interesse in una prospettiva fondamentale, utilizzata per le  realizzazioni fisiche di modelli teorici per studiare le transizioni di fase e le eccitazioni topologiche. La tecnologia di fabbricazione per questi sistemi è ora abbastanza avanzata da permettere che i parametri che governano la fisica di interesse possono essere regolati con un alto grado di precisione.

Dal trasporto elettronico alle microonde

Gli studi sui dispositivi bastati sulla giunzione Josephson fino ad oggi si sono concentrati tipicamente sulle misurazioni del trasporto elettronico: gli sperimentatori attaccano cavi metallici al dispositivo, applicano una tensione e misurano la corrente di uscita risultanteTuttavia, la presenza di tali collegamenti elettrici introduce inevitabilmente un’ulteriore fonte di disturbo che distrugge molti degli effetti quantistici che gli sperimentatori desiderano studiare. Mitigare questi disturbi e minimizzare l’interazione tra il dispositivo quantico e il rumoroso mondo esterno, sono sfide importanti per lo sviluppo di tecnologie quantistiche pratiche.

Recenti esperimenti (Hiroshi Nakamura, Riken, Giappone) hanno aggirato il problema dei cavi inserendo il loro dispositivo in una cavità 3-D in cui il sistema può essere sondato tramite microonde. Ciò riduce i contatti tra il dispositivo e l’ambiente, consentendo uno studio molto più pulito e più coerente.

L’esperimento eseguito non è più il trasporto elettronico, ma la spettroscopia.

Per massimizzare il successo di questa nuova tecnica, sono necessari nuovi approcci per descrivere teoricamente gli esperimenti.

Nuovo quadro teorico: i vortici collegano la teoria all’esperimento

Il nuovo studio RMIT stabilisce un quadro teorico per la modellazione di questi esperimenti spettroscopici a microonde sulle giunzioni Josephson.

Lo studio si concentra sui vortici creati da campi magnetici che attraversano tutti gli anelli chiusi del circuito. Le microonde in ingresso possono guidare le transizioni tra diversi stati di vortice, il che porta a una risposta misurabile. La teoria sviluppata nel RMIT fornisce un quadro generale per la costruzione di una descrizione di circuiti planari arbitrari e l’estrazione di quantità misurabili dalla teoria sottostante.

Questo lavoro collega la teoria all’esperimento“, afferma l’autore principale, Sam Wilkinson. “Collega le formulazioni teoriche delle reti superconduttive agli esperimenti di spettroscopia a microonde e dovrebbe aprire nuove strade per la progettazione e la descrizione di sistemi quantistici coerenti“.

Poiché gli array delle giunzioni Josephson possono essere progettati e manipolati con un ampio grado di controllo, sono stati realizzati sistemi modello ideali per lo studio delle complicate forme fisiche di molti corpi. Questi sistemi tendono ad esibire interazioni molto a lungo raggio e accoppiamenti molto forti, due caratteristiche che in genere rendono i sistemi difficili da studiare teoricamente.

Speriamo che i nostri studi sulla giunzione Josephson aiutino anche con altri studi complessi“, afferma il leader del gruppo, prof. Jared Cole. “Speriamo che, sviluppando strumenti per comprendere come controllare questi sistemi, impareremo lezioni che possono essere applicate ad altri sistemi altamente interattivi, sistemi sui quali, di solito, abbiamo un controllo meno sperimentale“.

Maggiori informazioni: Samuel A. Wilkinson et al. Linear response theory of Josephson junction arrays in a microwave cavity, Physical Review B (2019). DOI: 10.1103/PhysRevB.99.134502