Realization of phi Josephson Junctions with a Ferromagnetic Interlayer

Abstract

In this thesis, phi Josephson junctions based on 0-pi junctions with a ferromagnetic interlayer are studied. Josephson junctions (JJs) with a ferromagnetic interlayer can have a phase drop of 0 or pi in the ground state, depending on the thickness of the ferromagnet (0 JJs or pi JJs). Also, 0-pi JJs can be realized, where one segment of the junction (if taken separately) is in the 0 state, while the other segment is in the pi state. One can use these pi Josephson junctions as a device in superconducting circuits, where it provides a constant phase shift, i.e., it acts as a pi phase battery. A generalization of a pi JJ is a phi JJ, which has the phase phi in the ground state. The value of phi can be chosen by design and tuned in the interval 0 < phi < pi . The phi JJs used in this experiment were fabricated as 0-pi JJs with asymmetric current densities in the 0 and pi facets. This system can be described by an effective current-phase relation which is tunable by an externally applied magnetic field. The first experimental evidence of such a phi JJ is presented in this thesis. In particular it is demonstrated that (a) a phi JJ has two ground states +phi and -phi, (b) the unknown state can be detected (read out) by measuring the critical current Ic (Ic+ or Ic-), and (c) a particular state can be prepared by applying a magnetic field or a special bias sweep sequence. These properties of a phi JJ can be utilized, for example, as a memory cell (classical bit). Furthermore, a phi Josephson junction can be used as a deterministic ratchet. This is due to the tunable asymmetry of the potential that can be changed by the external magnetic field. Rectification curves are observed for the overdamped and the underdamped case. Moreover, experimental data of the retrapping process of the phase of a phi Josephson junction depending on the temperature is presented.

In dieser Arbeit werden phi-Josephson-Kontakte basierend auf 0-pi- Kontakten mit einer ferromagnetischen Zwischenschicht studiert. Josephson-Kontakte (JK) mit einer ferromagnetischen Zwischenschicht können abhängig von der Schichtdicke einen Phasensprung von 0 oder von pi im Grundzustand aufweisen (0-JK oder pi-JK). Es können auch 0-pi- Josephson-Kontakte hergestellt werden, bei denen sich ein Teil des Kontakts (wenn er getrennt betrachtet wird) im 0-Zustand befindet, während der andere Teil im pi-Zustand ist. In supraleitenden Schaltkreisen kann ein pi-Kontakt als Bauteil benutzt werden, das eine konstante Phase liefert, d.h. als pi-Phasen-Batterie. Eine Verallgemeinerung eines pi-Kontakts wird als phi-Kontakt bezeichnet und hat im Grundzustand die Phase phi. Der Wert von phi kann durch das Probendesign gewählt werden und kann jeden Wert im Intervall 0 < phi < pi annehmen. Die phi-Josephson-Kontakte, die in diesem Experiment verwendet wurden, wurden als 0-pi-Josephson-Kontakte hergestellt und haben asymmetrische Stromdichten im 0- und pi-Teil. Dieses System kann durch eine effektive Strom-Phasen-Beziehung beschrieben werden, die durch ein externes Magnetfeld verändert werden kann. In dieser Arbeit wird der erste experimentelle Nachweis solch eines phi-Kontakts präsentiert. Im Besonderen wird gezeigt, dass (a) ein phi- Josephson-Kontakt zwei Grundzustände +phi und -phi hat, (b) der unbekannte Zustand der Phase ausgelesen werden kann, indem der kritische Strom Ic (Ic+ oder Ic-) gemessen wird und (c) ein bestimmter Zustand präpariert werden kann, indem ein Magnetfeld oder eine spezielle Bias- Strom-Sequenz angelegt wird. Diese Eigenschaften können dazu benutzt werden, einen phi-Kontakt zum Beispiel als Speicherzelle (klassisches Bit) einzusetzen. Außerdem kann ein phi-Josephson-Kontakt als deterministische Ratsche benutzt werden, da die Asymmetrie seines Potentials durch ein äußeres Magnetfeld verändert werden kann. Es werden Gleichrichtungskurven für den überdämpften und den unterdämpften Fall gezeigt. Darüber hinaus werden experimentelle Daten des Retrapping (Einfang)- Prozesses der Phase eines phi-Josephson-Kontakts in Abhängigkeit von der Temperatur präsentiert.