Paradoxe Antwort- und Fluktuationseffekte in Josephson-Kontakten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand dieses Projektes waren verschiedenste “ungewöhnliche” oder sogar “paradoxe” Antwort- und Fluktuationsphänomene in relativ einfachen theoretischen Modellsystemen und deren experimentelle Umsetzung in Josephson-Kontakten. Das wichtigste Beispiel ist das Phänomen der sogenannten absolut negativen Mobilität (ANM), bei dem ein ursprünglich “ruhendes”, ungestörtes System auf eine statische externe Störung mit einem systematischen Transport entgegengesetzt zu dieser Kraft antwortet. Im Fall von Josephson-Kontakten entspricht die statische externe Störung einem extern angelegten Gleichstrom und die Antwort entspricht einer messbaren Gleichspannung. Das Phänomen der absolut negativen Mobilität sollte sich daher in Josephson-Kontakten als ein negativer absoluter Widerstand (NAW) nachweisen lassen. Im Rahmen theoretischer Arbeiten wurde gezeigt, dass für geeignet gewählte Kombinationen relevanter Systemparameter (Potential, periodischer Antrieb, thermische Fluktuationseffekte und Dämpfung) ANM in einem 1-dimensionalen klassischen “Minimalsystem” auftreten sollte. Als zugrunde liegender Mechanismus wurde sogenanntes transientes Chaos identifiziert. Als zentrales Ergebnis dieses Projekts gelang die experimentelle Bestätigung dieses Phänomens durch den Nachweis von NAW in kurzen, unterdämpften Josephson-Kontakten. Die zweite Zielsetzung des Projektes – der experimentelle Nachweis einer “paradoxen” Abnahme der quantenmechanischen Tunnelrate mit steigender Temperatur – konnte nicht realisiert werden, da gezeigt werden konnte, dass die ursprüngliche theoretische Vorhersage auf einem Artefakt der verwendeten analytischen Approximation beruht. Stattdessen wurden weiterführende Arbeiten zur ANM durchgeführt. Für anulare Josephson-Kontakte konnte NAW aufgrund der Bewegung von Fluxonen experimentell nachgewiesen werden. In vergleichbaren Kontakten wurde zudem der Betrieb einer Josephson-Fluxon-Ratsche entgegen einer statischen Kraft nachgewiesen und analysiert. Schließlich gelang für SQUID-Ratschen erstmals der Nachweis der Generierung von gerichtetem Transport mit Hilfe eines rein stochastischen Antriebs. In theoretischen Arbeiten gelang die Erweiterung der ANM auf die Bewegung eines Brownschen Teilchens mit überdämpfter Dynamik in einem 2-dimensionalen Oberflächenpotential. Hierbei konnte gezeigt werden, dass durch lediglich geringe Anderungen der periodischen Antriebsamplitude Teilchentransport in jede beliebige Richtung generiert werden kann. Die Erweiterung des 2-dimensionalen Modells von Punktteilchen auf ausgedehnte “chirale” Teilchen zeigte, dass das Antwortverhalten der beiden chiralen Partner in einem periodischen Potential auf eine externe statische Kraft stark verschieden sein kann. Dieser Effekt könnte von Anwendungsrelevanz bezüglich der Trennung chiraler Partnermoleküle in Chemie, Pharmazie und Biologie sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Brownian motion: Anomalous response due to noisy chaos. EPL 79, 10005 (2007)
D. Speer, R. Eichhorn, and P. Reimann
- Transient chaos induces anomalous transport properties of an underdamped Brownian particle. Phys. Rev. E 76, 051110 (2007)
D. Speer, R. Eichhorn, and P. Reimann
- Observation of Negative Absolute Resistance in a Josephson Junction. Phys. Rev. Lett. 100, 217001 (2008)
J. Nagel, D. Speer, T. Gaber, A. Sterck, R. Eichhorn, P. Reimann, K. Ilin, M. Siegel, D. Koelle, and R. Kleiner
- Directing Brownian Motion on a Periodic Surface. Phys. Rev. Lett. 102, 124101 (2009)
D. Speer, R. Eichhorn, and P. Reimann
- Rectification in a stochastically driven three-junction SQUID rocking ratchet. Phys. Rev. Lett. 103, 047001 (2009)
A. Sterck, D. Koelle, and R. Kleiner
- Exploiting Lattice Potentials for Sorting Chiral Particles. Phys. Rev. Lett. 105, 090602 (2010)
D. Speer, R. Eichhorn, and P. Reimann
- Deterministic Josephson Vortex Ratchet with a Load
M. Knufinke, K. Ilin, M. Siegel, D. Koelle, R. Kleiner, and E. Goldobin
