Josephson junctions, quantum interference devices and applications in the field of dark matter search

Abstract

In questa Tesi di Dottorato, io e il mio supervisor, il Prof. Roberto De Luca, abbiamo analizzato alcuni particolari dispositivi superconduttori, le giunzioni Josephson e gli SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices), da un punto di vista semi-classico e quantistico. Con la collaborazione di alcuni professori russi, i Professori Larisa Zherikhina e Andrej Tshovrebov del Lebedev Institute of RAS (Russian Academy of Sciences), a Mosca, Russia and il Prof. George Izmailov del Moscow Aviation Institute (MAI), anche a Mosca. Applicazioni di questi dispositivi (in particolare degli SQUIDs) come rivelatori di Materia Oscura sono state considerate. Noi dapprima descriviamo la nostra attività teorica sulle giunzioni Josephson e gli SQUIDs, e poi sottolineiamo il ruolo degli SQUID come rivelatori di Materia Oscura. Iniziamo con l’analisi microscopica di una catena lineare di N superconduttori, per cui abbiamo considerato interazioni solo tra primi vicini. Nel particolare caso di N = 2 superconduttori accoppiati, così che essi formano una giunzione Josephson, abbiamo ottenuto le stesse relazioni caratterizzanti il modello di Feynman, che descrive, da un punto di vista quantistico, questo sistema. I risultati confermano la validità del modello semiclassico di Ohta, che rappresenta l’estensione del modello di Feynman a una giunzione Josephson connessa a una sorgente di f.e.m. Abbiamo poi analizzato le proprietà teoriche delle giunzioni Josephson a doppia barriera e a tripla barriera (DBJJ e TBJJ rispettivamente). Per la DBJJ, che è un sistema superconduttivo a tre elettrodi, in cui l’elettrodo intermedio è considerato come un puro sistema quantistico, abbiamo ipotizzato accoppiamenti non omogenei tra gli elettrodi superconduttivi 1-2 e 2-3. La costante di accoppiamento tra gli elettrodi 1-3 si prende piccola in confronto alle precedenti. Per la TBJJ, un sistema superconduttivo a quattro elettrodi, in cui gli elettrodi più interni sono trattati come un puro sistema quantistico, le costanti di accoppiamento tra i layers 1-2, 2-3 e 3-4 sono diverse, così anche in questo caso non abbiamo accoppiamenti omogenei, e le costanti di accoppiamento tra 1-3 e 2-4 sono considerate minori di quelle precedenti. Per scopo di semplicità, prendiamo la differenza di fase superconduttiva degli elettrodi più interni 2 e 3 uguali a zero. Sotto queste ipotesi, usando il modello semi-classico di Ohta, abbiamo ottenuto la relazione corrente-fase (CPR) per questi sistemi. Si nota che questa relazione è diversa da quella sinusoidale, che caratterizza la semplice giunzione Josephson (SJJ), ed è in buon accordo sia con i risultati teorici ottenuti da Brinkmann, basati su un approccio microscopico, e anche con i risultati sperimentali trovati da Nevirkovets et al. Gli ultimi risultati sono basati sull’osservazione dei passi di Shapiro, e l’analisi delle loro ampiezze in funzione della d.d.p. applicata... [a cura dell'autore]