物理所观测到欠阻尼约瑟夫森结中的量子位相扩散现象

2011-11-25 15:32 来源: 中国科学院
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  布朗粒子在倾斜周期势中运动所产生的经典或量子位相扩散(classical or quantum phase diffusion)是许多物理、化学以及生物系统(如约瑟夫森结、冷原子、凝胶粒子、玻色-爱因斯坦凝聚体、二维电子气、分子马达以及蛋白质等)研究的重要方面,并具有广泛的应用价值。约瑟夫森结中的位相扩散现象近年来引起了人们的极大关注,一方面由于它是一种全固态量子器件,在样品制备、参数设计以及测量调控方面十分方便,其研究结果也对其它研究体系具有很好的借鉴意义;另一方面,随着超导量子计算研究的不断展开,约瑟夫森结中的位相扩散现象对深入了解超导量子比特及其宏观量子态的读取等基本问题有重要的意义。

  一个电流偏置的约瑟夫森结的动力学过程可以看成是一个宏观位相粒子在一个倾斜的周期势中的运动,如图一所示。在阻尼很小的情况下,位相粒子逃出势阱后会连续向下运动(即处于state 3)。但随着阻尼的增大,它在逃出势阱后还有一定的几率被相邻的势阱捕获(处于state 2),从而在倾斜周期势中呈现速度缓慢的扩散运动,这就是所谓的位相扩散现象,其主要特征是约瑟夫森结跳变电流分布的峰宽变窄。在这种欠阻尼(相对于阻尼更高的过阻尼情形而言)约瑟夫森结中,以往人们对位相扩散现象的研究主要局限在经典区域,即出现位相扩散的温度点T0高于经典到量子转变的温度点Tcr(T0>Tcr)。

  最近,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)固态量子信息与计算实验室赵士平研究组、极端条件物理实验室吕力研究组、超导实验室郑东宁研究组和美国堪萨斯大学韩思远教授合作,通过对具有相同临界电流密度而面积大小不同的两个Nb/Al-AlOx/Nb结的测量,在温度25-140 mK下的小结中明确观测到量子区域的位相扩散现象(T0<<Tcr)(图二、图三),并提出了一个“two-step transition”模型来描述实验结果。研究结果表明:在经典区域内,粒子从state 2到state 3的逃逸率Γ2对1/T的依赖关系满足Arrhenius law,而在量子区域内则受到量子涨落的影响,其温度依赖明显变弱(图四)。这些结果与已有的过阻尼约瑟夫森结体系的“耗散势垒”模型和Machura 等人的量子理论预言有类似之处,它为理论工作者对欠阻尼系统量子位相扩散的研究提供了新的实验基础。

  这项工作发表在Phys. Rev. Lett. 107, 067004 (2011) 上。该工作得到了国家自然科学基金委和科技部项目的资助。

图一 粒子在倾斜周期势中的初始态(state 1)、扩散态(state 2)和逃逸态(state 3)示意。

图二 小结跳变电流分布随温度的变化。插图为它在30 mK的IV特性。

图三 小结(a)和大结(b)跳变电流分布的平均值和峰宽随温度的变化。 (b)中的实线和虚线为理论拟合结果。

图四 (a)不同温度下小结的Γ1(线)和Γ2(点)值。(b)不同偏置电流下Γ2随温度的变化。(c)Γ2 = 2000 sec-1时偏置电流随温度的变化。