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, separati da un sottilissimo strato isolante, con carica elettronica che viaggia da una piastra all'altra tramite tunneling quantistico, ed è un importante ponte tra la meccanica quantistica alla microscala e le tecnologie pratiche alla macroscala.

Le applicazioni includono dispositivi esistenti come rilevatori di campi magnetici (chiamati SQUID), e tecnologie emergenti come i computer quantistici.

Anche le giunzioni Josephson sono interessanti da un punto di vista fondamentale, utilizzati come realizzazioni fisiche di modelli teorici per studiare le transizioni di fase e le eccitazioni topologiche.

La tecnologia di fabbricazione di questi sistemi è ora sufficientemente avanzata da consentire la messa a punto dei parametri che regolano la fisica di interesse con un elevato grado di precisione.

Spostando l'attenzione sperimentale dal trasporto elettronico alle microonde

Gli studi sui dispositivi di giunzione Josephson fino ad oggi si sono in genere concentrati sulle misurazioni del trasporto elettronico:gli sperimentatori collegano i cavi metallici al dispositivo, applicare una tensione, e misurare la corrente di uscita risultante.

Però, la presenza di tali collegamenti elettrici introduce inevitabilmente un'ulteriore fonte di rumore, che distrugge molti degli effetti quantistici che gli sperimentatori desiderano studiare.

Mitigare questo rumore di carica, e riducendo al minimo l'interazione tra il dispositivo quantistico e il rumoroso mondo esterno, sono sfide importanti per lo sviluppo di tecnologie quantistiche pratiche.

Esperimenti recenti (Hiroshi Nakamura, Riken, Giappone) hanno aggirato il problema dei cavi rumorosi inserendo il loro dispositivo in una cavità 3-D dove il sistema può essere sondato tramite microonde. Ciò riduce il contatto tra il dispositivo e l'ambiente, consentendo uno studio molto più pulito e coerente.

L'esperimento in corso non è più un trasporto elettronico, ma spettroscopia.

Per massimizzare il successo di questa nuova tecnica radicale, 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 spettroscopici, esperimenti a microonde su giunzioni Josephson.

Lo studio si concentra sui vortici creati dai campi magnetici che si insinuano attraverso eventuali anelli chiusi nel circuito.

Le microonde in ingresso possono guidare le transizioni tra diversi stati di vortice, che porta a una risposta misurabile.

La teoria sviluppata all'RMIT fornisce un quadro generale per costruire una descrizione di circuiti planari arbitrari ed estrarre quantità misurabili dalla teoria sottostante.

"Questo lavoro collega la teoria all'esperimento, "dice l'autore principale, FLOTTA Ph.D. studente Sam Wilkinson. "Collega le formulazioni teoriche delle reti superconduttrici agli esperimenti di spettroscopia a microonde, e dovrebbe aprire nuove strade per la progettazione e la descrizione di sistemi quantistici coerenti".

Poiché gli array di giunzione Josephson possono essere progettati e manipolati con un ampio grado di controllo, hanno realizzato sistemi modello ideali per studiare la fisica complicata a molti corpi. Questi sistemi tendono a mostrare interazioni a lungo raggio e un accoppiamento molto forte, 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, il professor Jared Cole. "Si spera, sviluppando strumenti per comprendere questi sistemi controllabili, impareremo lezioni che possono essere applicate ad altri sistemi altamente interagenti, sistemi in cui in genere abbiamo meno controllo sperimentale".