Suche nach Makroskopischen Quanteneffekten in maßgeschneiderten 0-κ-Josephsonkontakten

Abstract

0-κ-Josephsonkontakte sind faszinierende Bauelemente deren experimentelle Realisierung und Untersuchung in den letzten Jahren erst möglich wurde. Diese Arbeit gliedert sich in die Messung des makroskopischen Quantentunnelns der Josephsonphase in einem 0-κ-Kontakt und die Energielevelspektroskopie an solchen Kontakten. Der 0-κ-Josephsonkontakt wird dabei durch einen „gewöhnlichen“ Nb-AlOx-Nb-Kontakt mit einem Strominjektorpaar realisiert. Durch Anlegen eines Injektorstromes lässt sich eine Phasendiskontinuität κ = π einstellen. Dadurch wird das System in einen entarteten Grundzustand gebracht, in dem zwei kritische Ströme Ic± gemessen werden können. Diese beiden kritischen Ströme sind charakteristisch für einen nicht allzu langen 0-κ-Kontakt, dessen räumlich gemittelte Phase zwei Grundzustandswerte ±φ in einem effektiven Doppelmuldenpotenzial annehmen kann. Durch Variieren des Injektorstromes in einem kleinen Bereich um dieses Minimum κ = π ± ε, lässt sich der Abstand der Werte der beiden kritischen Ströme Ic± beliebig einstellen. Für diese beiden kritischen Ströme kann nun der Escapeprozess sowohl im thermischen als auch im quantenmechanischen Regime untersucht werden. Dieser Escapeprozess kann im Bild des Teilchens im gekippten Waschbrettpotenzials beschrieben werden. Das Waschbrettpotenzial wird dabei durch Anlegen eines Biasstromes solange verkippt, bis die Barriere klein genug ist, dass das Teilchen aufgrund thermischer oder quantenmechanischer Fluktuationen über oder durch die Barriere entkommen kann. Die dafür benötigte Energie wird im Falle eines thermischen Escapeprozesses als Aktivierungsenergie bezeichnet und kann mittels Messung der Schaltwahrscheinlichkeit des Kontaktes statistisch bestimmt und mit theoretischen Modellen in verschiedenen Dämpfungsregimes beschrieben werden. Weiterhin wurden Messungen der Temperaturabhängigkeit der Aktivierungsenergie durchgeführt. Unterhalb der Crossover-Temperatur T* vom thermischen ins quantenmechanische Regime, bei diesen Kontakten ist T* ≈ 175mK, wird der Escapeprozess vom makroskopischen Quantentunneln dominiert. Dies spiegelt sich in einer Sättigung der Verteilungsbreite der Schaltstatistikhistogramme wieder und ist ein erster Hinweis auf das Erreichen des quantenmechanischen Regimes. Es wurden weitere Messungen zur Abhängigkeit der Verteilungsbreite vom angelegten Injektorstrom durchgeführt und somit weitere Belege für das makroskopische Quantentunneln gesammelt. Jedoch konnten diese Messungen noch nicht mit den derzeit vorliegenden, theoretischen Vorhersagen in Einklang gebracht werden. Neben den Messungen zum makroskopischen Quantentunneln wurden Spektroskopiemessungen der Energieniveaus, die sich innerhalb der Potenzialmulde ausbilden, durchgeführt. Zunächst wurde die Plasmafrequenz der untersuchten Kontakte experimentell bestimmt und nach parasitären Resonanzen gesucht. Anschließend wurden die Messungen zur Energielevelspektroskopie durchgeführt. In diesen Messungen traten interessante Strukturen auf, die Hinweise für die Anregung der Phase in höhere Energieniveaus innerhalb des Potenzialminimums sind. Da die auftretenden Strukturen weder mit klassischen Simulationen, noch mit dem Auftreten von Störresonanzen erklärbar sind, deutet vieles darauf hin, dass der Escape der Josephsonphase aus dem Grundzustand und höheren, angeregten Zuständen mittels spektroskopischen Untersuchungen nachgewiesen wurde. Deshalb ist ein Vergleich mit quantenmechanischen Simulationen nötig, welcher bisher, aufgrund der fehlenden quantenmechanischen Berechnungen, noch nicht durchgeführt werden konnte. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente geben erste, klare Hinweise auf das quantenmechanische Verhalten von 0-κ-Josephsonkontakten, konnten jedoch bisher noch nicht mit den theoretischen Modellen zufriedenstellend beschrieben werden. Diese Arbeit konnte dennoch eine Grundlage für weitere Untersuchungen des quantenmechanischen Verhaltens von 0-κ-Josephsonkontakten schaffen.

0-κ-Josephson junctions are fascinating electronic devices the experimental realization and investigation of which became possible during the last decade. The present work contains measurements of the macroscopic quantum tunneling and the energy level spectroscopy of the Josephson phase of a 0-κ-junction. The 0-κ-Josephson junction is realized via a conventional Nb-AlOx-Nb-junction with a pair of current injectors. By feeding a current through the injectors a phase discontinuity of κ = π can be adjusted to form a degenerated ground state in which two critical currents Ic± can be measured. These two critical currents are characteristic for a 0-κ-junction of moderate length. The spatially averaged phase has two values ±φ for the ground state in the effective double well potential. By varying the injector current in a small range around the minimum κ = π + ε, the gap between the two critical currents is freely tunable. The escape process in the thermal and quantum regime is investigated. This escape process is described in the picture of a particle in a tilted washboard potential. By applying a bias current the potential can be tilted until the barrier is small enough that the particle can escape from the well due to thermal fluctuations or by tunneling through the barrier. The energy needed for a thermal escape is called activation energy and can be determined via statistical measurements of the switching current. To describe these measurements theoretical models for different damping regimes are available. Furthermore, measurements of the temperature dependence of the activation were performed. Below the crossover temperature T* from the thermal to the quantum regime the escape process is dominated by macroscopic quantum tunneling. A crossover temperature of T*≈175mK was obtained for the measured samples. The crossover to the quantum regime results in a saturation of the width of the measured Ic-histograms and is a first hint that the quantum regime has been reached. To collect more evidence for the macroscopic quantum tunneling measurements of the dependence of the saturation width of the Ic-distribution on the injector current were performed. The results of the measurements could not be brought in line with presently existing theoretical models. Further, spectroscopy measurements of the energy levels forming inside the potential well were performed. First, the Josephson plasma frequency was determined and parasitic resonances were identified. In the energy level spectroscopy measurements some structures appeared hinting to the excitation of the phase to higher energy levels inside the potential minima. These structures could not be explained either by classical simulations or by parasitic resonances and are a clear hint for the escape of the Josephson phase out of the ground state and higher excited states. A comparison with simulations based on quantum mechanical calculations is still missing. The experiments performed in this thesis gave first clear hints on the quantum mechanical behavior of 0-κ-Josephson junctions, although a comparison with theoretical models could not satisfactorily be done so far. However this thesis could establish a basis for future investigations of the quantum mechanical behavior of 0-κ-Josephson junctions.