Tunneling quantistico macroscopico: effetti dissipativi in dispositivi

Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara” IFAC – CNR, Firenze
http://www.ifac.cnr.it
Tunneling quantistico macroscopico: effetti dissipativi in dispositivi superconduttori
P. Fabeni, D. Mugnai, G. P. Pazzi, A. Ranfagni, R. Ruggeri, C. Susini
Il moto delle particelle nei mezzi condensati è governato dalle leggi della meccanica quantistica e la natura ondulatoria del moto
rende possibile la penetrazione in regioni classicamente proibite ed il loro superamento per effetto tunnel. Sebbene l'effetto tunnel sia
stato studiato fin dall'inizio degli anni 20, molti aspetti di questo fenomeno restano tuttora oscuri. Per questa ragione molti studi sono
tutt'oggi dedicati a questo soggetto, che è interessante sia dal punto di vista della conoscenza di base, ma anche in relazione agli
aspetti applicativi. In questi studi è di particolare interesse il tunneling quantistico macroscopico in dispositivi superconduttori. Tale
argomento richiede come condizione ineliminabile per la sperimentazione, il raggiungimento di temperature estremamente basse
(dell'ordine dei mK) pena la inosservabilità del regime quantistico.
Uno dei sistemi fisici particolarmente adatti per tali studi è costituito dalle giunzioni Josephson con le quali, se la temperatura è
sufficientemente bassa, si possono evidenziare effetti quantistici macroscopici. Un aspetto importante riguarda i tempi di tali processi
che sono dell'ordine dei picosecondi. L'attività sperimentale, che costituisce lo scopo principale della ricerca, riguarda principalmente
l'effettuazione di misure del tempo di vita dello stato metastabile in giunzioni Josephson, a temperature inferiori alla temperatura di
cross-over. Infatti, essendo il passaggio oltre la barriera consentito anche per superamento termico, è solo a temperature
estremamente basse che il tunneling prevale: è pertanto in questa situazione che si evidenzia il comportamento quantistico del
sistema. In particolare, è possibile ricavare il tempo di tunneling deducendolo dalle misure del tempo di vita.Una importante
informazione, deducibile anch'essa da misure di questo tipo, riguarda il ruolo della dissipazione (sempre presente a livello
macroscopico) che influisce sulla dinamica della giunzione e, in particolare, sul processo di tunneling. Una indagine di questo aspetto
può essere effettuata sperimentando su giunzioni con carichi variabili (sia a costanti concentrate che a costanti distribuite) tali da
controllare gli effetti dissipativi.
All'IFAC-CNR esiste un criogeneratore a diluizione in grado di raggiungere temperature dell'ordine dei mK, già utilizzato per misure
su dispositivi superconduttori. Per questo motivo la sperimentazione viene svolta presso l'IFAC di Firenze, in collaborazione con l'INOA.
L'Istituto di Cibernetica partecipa alla ricerca in quanto in grado di produrre giunzioni Josephson di qualità adeguata agli scopi prefissati.
Le unità INFM di Trento e di Firenze sono principalmente coinvolte per gli studi teorici su modelli di tunneling dissipativo, proseguendo
un'attività già da tempo avviata in collaborazione sia con l'IFAC che con l'INOA.
Tempo di decadimento in funzione della
corrente di polarizzazione calcolato a
differenti temperature per una giunzione con
I0 =5 A e C =6.6 pF.
Misura del tempo di decadimento con
un fuori zero do 50 s (punti pieni) e
dopo la sottrazione del fuori zero (punti
vuoti). La linea retta che li descrive
corrisponde ad una temperatura di 50
mK
Sistema dei livelli energetici per I/I0 = 0.985.
Giunzione Josephson accoppiata in (a)
ad una linea di trasmissione aperta di
impedenza caratteristica Z0, in (b), ad una
linea artificiale costituita da N celle di tipo
T, terminata con l'impedenza ZT.
Impulso di tensione generato dalla giunzione
Josephson caricata con una linea di
trasmissione di impedenza caratteristica Z0.
In (a) l'impulso è rappresentato in funzione
del tempo a z=0. In (b) l'impulso è
rappresentato in funzione della coordinata
spaziale a differenti tempi.
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P.Fabeni, D. Mugnai, G.P. Pazzi, F. Pignatelli, A. Ranfagni, R. Cristiano, L. Frunzio, L.S. Schulman, "Traversal time in Josephson junction", Journal of Superconductivity 12,
829 (1999).
P. Moretti, D. Mugnai, A. Ranfagni, M. Cetica, "Traversal time in macroscopic quantum tunneling", Phys. Rev. A 60, 5087 (1999).
A. Agresti, M. Barilli, A. Ranfagni, R. Ruggeri, and C. Susini, "Different approach for evaluating dissipation in macroscopic quantum tunneling", Phys. Rev. E 65, 066616
(2002).
A. Agresti, A. Ranfagni, R. Ruggeri, and P. Sandri, "Josephson junction coupled to a transmission line: A comparison of different approaches", Phys. R ev. E 67, 027602
(2003).