Tunneling quantistico macroscopico: effetti dissipativi in dispositivi superconduttori

1. 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. Giunzione Josephson accoppiata in (a) ad una linea di trasmissioneaperta di impedenza caratteristica Z0, in (b), ad una linea artificiale costituita da N celle di tipo T, terminata con l'impedenza ZT. Tempo di decadimento in funzione della corrente di polarizzazionecalcolato a differenti temperatureper una giunzione con I0 =5 A eC =6.6 pF. 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.  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. ------------------------------------------------------------------- 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. E67, 027602 (2003).