Movimiento direccional de fluxones en redes de uniones Josephson.


Palabras Clave: Directional motion, ratchet potential, fluxon dynamics, Josephson-junction arrays.

Resumen de la línea: Proponemos aplicar las ideas básicas de movimiento direccional de partículas en potenciales asimétricos al campo de los dispositivos superconductores. El problema fundamental a abordar es el de la rectificación de señales alternas de media nula actuando sobre sistemas en presencia de potenciales periódicos asimétricos, tanto en el dominio clásico como en el cuántico.

El estudio del movimiento direccional de partículas es un activo campo de investigación científica donde, en los últimos años, el trabajo realizado está aproximándose desde la física básica a la aplicada. Aunque las primeras ideas para aplicar las ideas fundamentales subyacentes se hicieron en el campo del estudio de los motores biomoleculares (proteínas responsables del transporte de partículas a lo largo del esqueleto celular), las aplicaciones más interesantes están surgiendo en el mundo de los dispositivos tecnológicos a escalas micro y nano-métricas. En tales sistemas mesoscópicos, las ideas de movimiento direccional y rectificación de fluctuaciones tienen aplicación directa y ya ha comenzado un flujo de conceptos desde la física no lineal al estudio de la operación de dispositivos a estas escalas. Las redes superconductoras de uniones Josephson son un ejemplo de tales dispositivos y nuestro grupo ha sido pionero en este esfuerzo de trasvase.

Un fluxón en una red de uniones Josephson conectadas en paralelo se comporta aproximadamente como una partícula que experimenta un potencial substrato periódico. Jugando con configuraciones distintas de los elementos de la red (corrientes críticas y tamaños de celda) podemos diseñar distintos potenciales periódicos para el fluxón. En particular es posible diseñar potenciales asimétricos y estudiar experimentalmente el movimiento direccional del fluxón (o el de redes de fluxones) en ese potencial asimétrico. El estudio de fluxones en redes de uniones Josephson en paralelo, proporciona una oportunidad excelente para comprobar las predicciones de la teoría de movimiento direccional de partículas en potenciales asimétricos.

Finalmente, reduciendo el tamaño de las uniones y la temperatura de los experimentos, es posible alcanzar el llamado límite cuántico de las redes: aquel en el que se hace necesaria una descripción totalmente cuántica de la dinámica de la red. En este límite, las redes de uniones Josephson nos permiten estudiar experimentalmente los efectos de asimetría del potencial en sistemas cuánticos macroscópicos.


Actividades más relevantes del grupo realizadas dentro de la línea.

(i) Fuimos los primeros en proponer un estudio experimental de dicho fenómeno en una red superconductora. Dicho sistema es una red unidimensional de uniones Josephson conectadas en paralelo, en la cual el potencial efectivo de anclaje para los fluxones atrapados en la red carece de simetría de inversión (este tipo de potencial es llamado potencial de tipo "ratchet"). En este trabajo demostramos, por medio de simulaciones de dinámica molecular, que las predicciones de ratchets térmicos podían ser verificadas en la red. Tales predicciones incluyen un comportamiento distinto del sistema según la polaridad de la fuerza externa y la posibilidad de rectificar fluctuaciones y fuerzas alternas.

(ii) Poco después, la colaboración de los grupos de Zaragoza y el MIT condujo a la fabricación de la red propuesta y la medida de algunas de sus propiedades.

(iii) Hemos diseñado una red en el límite cuántico y realizado los primeros experimentos en el mismo.

Referencias

[1] Para una introducción general divulgativa ver el artículo de R.D. Astumian en Scientific American, p.57, Julio de 2001. Una revisión autorizada es P. Reinmann, Phys. Rep. Un número monográfico sobre el tema es Appl. Phys. A 75 (2002).

[2] Ratchet potential for fluxons in Josephson-junction arrays. F. Falo, P.J. Martínez, J.J. Mazo, S. Cilla. Europhys. Lett. 45, 700 (1999).

[3] Depinning of kinks in a Josephson-junction ratchet array. E. Trías, J.J. Mazo, F. Falo, T.P. Orlando. Phys. Rev. E 61, 2257 (2000).

[4] Fluxon ratchet potentials in superconducting circuits. F. Falo, P.J. Martínez, J.J. Mazo, T.P. Orlando, K. Segall and E. Trías. Appl. Phys. A 75, 263-269 (2002).

Participantes: F. Falo, P. J. Martínez, J. J. Mazo, J. L. García-Palacios, D. Zueco.

Collaborations with other groups: Colaboración con otros grupos: Colaboramos con los grupos experimentales del grupo del Prof. Terry Orlando del Massachussets Institute of Technology en Cambridge (MA), Estados Unidos y del Dr. Ken Segall de la Colgate University, en Hamilton (NY), Estados Unidos.

JJA La figura muestra un anillo con 8 uniones Josephson conectadas en paralelo. Los diferentes tamaños de las uniones y de las celdas permiten diseñar un potencial substrato asimétrico para el fluxón.