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Josephson Junction Spectroscopy of Mesoscopic Systems

Descrizione del progetto

Uno spettrometro basato sulla giunzione Josephson per i sistemi mesoscopici

I sistemi mesoscopici sono quelli più grandi di alcuni atomi o molecole, ma più piccoli degli oggetti quotidiani che possiamo vedere e toccare. Essi costituiscono un interessante banco di prova per lo studio dell’interfaccia tra meccanica quantistica e sistemi macroscopici. I dispositivi mesoscopici, che conservano la coerenza quantistica su lunghezze superiori alla scala atomica, offrono un’opportunità unica di progettare e studiare le eccitazioni a livello di singoli quanti. Tuttavia, gli attuali metodi spettroscopici non consentono di sondare i sistemi mesoscopici con la radiazione e di rilevare i loro piccoli segnali di assorbimento. Il progetto JSPEC, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca, svilupperà uno spettrometro su chip, basato sulla giunzione Josephson, ideale per sondare le eccitazioni elementari nei sistemi mesoscopici.

Obiettivo

Spectroscopy is a powerful tool to probe matter. By measuring the spectrum of elementary excitations, one reveals the symmetries and interactions inherent in a physical system. Mesoscopic devices, which preserve quantum coherence over lengths larger than the atomic scale, offer a unique possibility to both engineer and investigate excitations at the single quanta level. Unfortunately, conventional spectroscopy techniques are inadequate for coupling radiation to mesoscopic systems and detecting their small absorption signals. I propose an on-chip, Josephson-junction based spectrometer which surpasses state-of-the-art instruments and is ideally suited for probing elementary excitations in mesoscopic systems. It has an original design providing uniform wideband coupling from 2-2000 GHz, low background noise, high sensitivity, and narrow linewidth.

I describe the operating principle and design of the spectrometer, show preliminary results demonstrating proof-of-concept, and outline three experiments which exploit the spectrometer to address important issues in condensed matter physics. The experiments are: measuring the lifetime of single quasiparticle and excited Cooper pair states in superconductors, a topic relevant for quantum information processing; determining whether graphene has a bandgap, a fundamental yet unresolved question; and recording a clear spectroscopic signature of Majorana bound states in topological superconductor weak links.

Various applications of the superconducting circuits developed for the spectrometer include a Josephson vector network analyzer, a cryogenic mixer, a THz camera, a detector for radioastronomy, and a scanning microwave impedance microscope. In itself the proposed JJ spectrometer is a general purpose tool that will benefit researchers studying mesoscopic systems. Ultimately, Josephson junction spectroscopy should not only be useful to detect existing elementary excitations but also to discover new ones.

Meccanismo di finanziamento

ERC-STG - Starting Grant

Istituzione ospitante

COLLEGE DE FRANCE
Contribution nette de l'UE
€ 1 651 232,50
Indirizzo
PLACE MARCELIN BERTHELOT 11
75005 Paris
Francia

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Regione
Ile-de-France Ile-de-France Paris
Tipo di attività
Higher or Secondary Education Establishments
Collegamenti
Costo totale
€ 1 997 497,50

Beneficiari (2)