Bi-2212表面本征结中的宏观量子隧穿现象

论文摘要

超导体中的电子结成库柏对,凝聚在可以用一个宏观波函数来描绘的能量基态,该波函数的位相可作为描述成百万的库柏对集体运动的宏观变量。以约瑟夫森结为基础的超导约瑟夫森器件是研究宏观量子现象的理想系统。约瑟夫森结器件中的宏观量子现象的研究大约始于二十年前,目的之一是为了考察量子力学的规律是否适用于宏观系统。大量的实验结果已经表明,宏观量子现象可以存在于宏观或介观的约瑟夫森结系统中。以约瑟夫森结为核心的超导量子系统是一种基于超导宏观量子效应的固态器件,在极低温下,可构造出具有超导特性的、能展示宏观量子现象的的量子体系。这一体系不但具有很好的量子相干性,而且易于通过电路参数和外场来调控,可成为极理想的一个研究宏观量子现象的载体。在约瑟夫森结器件中已经观察到各种有趣的宏观量子现象,例如,宏观量子隧穿、量子化的能级和量子相干效应、量子态的叠加以及拉比（Rabi）振荡等。电流偏置的约瑟夫森结是一种最简单的能展示宏观量子现象的超导量子系统,可以描述成具有一定质量的相位粒子在一个具有一定阻尼的搓衣板势中的运动。本论文工作采用光刻与电子束曝光相结合的制结工艺,成功地制备出Bi2Sr2CaCu2O8+δ （Bi-2212）表面本征约瑟夫森结。利用牛津仪器公司（Oxford Instrument） Kelvinox MX400稀释制冷机得到mK级极低温实验环境,在25 mK至1 K温度区间内系统测量了单个Bi-2212表面本征约瑟夫森结跳变电流的统计分布,并用宏观量子隧穿和经典热激活两种模型对实验数据进行了理论拟合。处理数据时发现在两个模型的交界区域,采用量子修正理论能使实验与理论更加吻合,这一结果对研究本征约瑟夫森结系统中的宏观量子现象及其在超导量子比特中的应用具有积极的意义。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 薛定谔猫和宏观量子现象
• 1.2 约瑟夫森结中的宏观量子隧穿现象
• 1.2.1 约瑟夫森效应
• 1.2.2 约瑟夫森结的RCSJ 模型
• 1.2.3 约瑟夫森结的宏观量子隧穿现象
• 1.3 氧化物高温超导体的概述
• 1.4 高温超导约瑟夫森结和Bi-2212 本征结
• 1.5 本征约瑟夫森结的宏观量子隧穿的研究现状
• 1.6 本论文研究的主要内容和意义
• 2 表面本征约瑟夫森结的制备及其测量
• 2.1 表面本征约瑟夫森结的制备
• 2.1.1 表面本征约瑟夫森结制备的工艺流程
• 2.1.2 表面本征约瑟夫森结制备的实验操作流程与关键参数
• 2.1.3 表面本征约瑟夫森结制备中的关键步骤
• 2.2 表面本征约瑟夫森结的测量
• 2.2.1 低温环境的获得和测试杆
• 2.2.2 R-T 测量线路和TestPoint 软件
• 2.2.3 I-V 曲线测量线路
• 3 极低温测量系统与系统噪声检测
• 3.1 稀释制冷机
• 3.1.1 稀释制冷机的原理
• 3.1.2 稀释制冷机的降温程序
• 3.2 极低温测量系统
• 3.2.1 极低温测量系统简介
• 3.2.2 极低温测量系统降噪措施
• 3.2.3 实验测量仪器
• 3.3 系统的噪声检测
• 3.3.1 测量原理
• 3.3.2 系统噪声水平的确定
• 4 表面本征约瑟夫森结中的宏观量子隧穿
• 4.1 引言
• 4.2 表面本征结样品的I-V 曲线及其参数
• 4.3 约瑟夫森结跳变电流分布的测量
• 4.3.1 样品盒和接线
• 4.3.2 约瑟夫森结跳变电流的测量方案
• 4.4 实验数据处理及分析
• 4.4.1 热激活和量子隧穿的理论描述
• 4.4.2 利用热激活和量子隧穿理论拟合P（ I ）
• 4.5 约瑟夫森结跳变电流分布的量子修正
• 5 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录