La unión de Josephson es uno de los elementos más importantes para convertir los fenómenos cuánticos en tecnología utilizable.

Un nuevo estudio RMIT establece un marco teórico para la nueva experimentación óptica en estos dispositivos clave, con implicaciones para futuras investigaciones y aplicaciones cuánticas fundamentales como la computación cuántica.

Estudios de unión de Josephson

Las uniones de Josephson pueden estar formadas por dos placas superconductoras, separados por una capa aislante muy fina, con carga electrónica viajando de una placa a otra a través de un túnel cuántico, y es un puente importante entre la mecánica cuántica a microescala y las tecnologías prácticas a macroescala.

Las aplicaciones incluyen dispositivos existentes como detectores de campo magnético (llamados SQUID), y tecnologías emergentes como las computadoras cuánticas.

Los cruces de Josephson también son de interés desde una perspectiva fundamental, utilizado como realizaciones físicas de modelos teóricos para estudiar transiciones de fase y excitaciones topológicas.

La tecnología de fabricación de estos sistemas está ahora lo suficientemente avanzada como para que los parámetros que rigen la física de interés puedan ajustarse con un alto grado de precisión.

Cambiando el enfoque experimental del transporte electrónico a las microondas

Los estudios de los dispositivos de unión de Josephson hasta la fecha se han centrado típicamente en las mediciones de transporte electrónico:los experimentadores conectan cables metálicos al dispositivo, aplicar un voltaje, y medir la corriente de salida resultante.

Sin embargo, la presencia de esas conexiones eléctricas introduce inevitablemente una fuente adicional de ruido, lo que destruye muchos de los efectos cuánticos que los experimentadores desean estudiar.

Mitigando este ruido de carga, y minimizar la interacción entre el dispositivo cuántico y el ruidoso mundo exterior, son desafíos importantes para el desarrollo de tecnologías cuánticas prácticas.

Experimentos recientes (Hiroshi Nakamura, Riken, Japón) han sorteado el problema de los cables ruidosos colocando su dispositivo en una cavidad tridimensional donde el sistema se puede probar a través de microondas. Esto reduce el contacto entre el dispositivo y el medio ambiente, permitiendo un estudio mucho más limpio y coherente.

El experimento que se está realizando ya no es el transporte electrónico, pero espectroscopia.

Para maximizar el éxito de esta nueva técnica radical, Se requieren nuevos enfoques para describir teóricamente los experimentos.

Nuevo marco teórico:los vórtices conectan la teoría con el experimento

El nuevo estudio RMIT establece un marco teórico para modelar estos espectroscópicos, experimentos de microondas en uniones Josephson.

El estudio se centra en los vórtices creados por campos magnéticos que atraviesan los bucles cerrados del circuito.

Las microondas entrantes pueden impulsar transiciones entre diferentes estados de vórtice, lo que conduce a una respuesta mensurable.

La teoría desarrollada en RMIT proporciona un marco general para construir una descripción de circuitos planos arbitrarios y extraer cantidades mensurables de la teoría subyacente.

"Este trabajo conecta la teoría con el experimento, "dice el autor principal, Ph.D. de FLOTA estudiante Sam Wilkinson. "Conecta formulaciones teóricas de redes superconductoras con experimentos de espectroscopia de microondas, y debería abrir nuevas vías para diseñar y describir sistemas cuánticos coherentes ".

Debido a que las matrices de conexiones Josephson se pueden diseñar y manipular con un alto grado de control, hicieron sistemas de modelos ideales para estudiar la complicada física de muchos cuerpos. Estos sistemas tienden a exhibir interacciones de muy largo alcance y un acoplamiento muy fuerte, dos características que típicamente hacen que los sistemas sean difíciles de estudiar teóricamente.

"Esperamos que nuestros estudios de unión de Josephson también ayuden con otros estudios complejos, "dice el líder del grupo, el profesor Jared Cole." Con suerte, mediante el desarrollo de herramientas para comprender estos sistemas controlables, aprenderemos lecciones que pueden aplicarse a otros sistemas que interactúan mucho, sistemas en los que normalmente tenemos menos control experimental ".