The Josephson effect in superconductors and quantum gases
L'effet Josephson dans les supraconducteurs et les gaz quantiques
Résumé
With the recent technical breakthroughs, physicists fully play with the beauty of quantum mechanics. In this theoretical work on the mesoscopic Josephson effect, we take advantage of the collaborations with experimentalists as well as the exchanges between the cold atoms and condensed matter communities. We consider various systems based on the Josephson junction, beginning with its quantum description in the underdamped regime. Using the Keldysh formalism, we obtain the current-voltage characteristics from the classical to the zero temperature regime and the quantum Smoluchowski equation in the quasi-classical limit. We then study the quantum dynamics of a phase qubit realized with a SQUID in a novel configuration where tunneling events occur through two quartic barriers. The escape rate in this camel-back potential, calculated with the instantons technique, allows us to describe the experiments. Circuit quantum electrodynamics predicts that a lasing effect appears when a qubit is coupled to a resonant cavity. We consider the case of a charge qubit and also that of a transmon which exploits the Purcell effect. With the Lindbladian we obtain the density matrix from which we derive the spectrum of the output field. Finally, we study a gas of cold atoms in a ring shape trap comprising a barrier, thus creating a Bose Josephson junction. The low energy physics is described through the correlation functions with the Luttinger liquid theory. We show that the quantum fluctuations in the ring induce a renormalization of the Josephson energy.
Grâce aux avancées techniques récentes, les physiciens jouent pleinement avec la beauté de la mécanique quantique. Dans ce travail de théorie sur l'effet Josephson mésoscopique, nous exploitons les collaborations avec les expérimentateurs ainsi que les échanges entre les communautés des atomes froids et de la matière condensée. Nous considérons différents systèmes basés sur la jonction Josephson, en commençant par sa description quantique dans le régime sous-amorti. En utilisant le formalisme de Keldysh, nous obtenons les caractéristiques courant-tension du régime classique à la limite de température nulle et l'équation de Smoluchowski quantique dans la limite semi-classique. Nous étudions ensuite la dynamique quantique d'un qubit de phase réalisé avec un SQUID dans une configuration inédite où l'échappement se produit à travers deux barrières quartiques. Le taux d'échappement tunnel dans ce nouveau potentiel, calculé avec la technique des instantons, nous permet de décrire les expériences. L'électrodynamique quantique des circuits prévoit qu'un effet laser apparaît lorsqu'un qubit est couplé à une cavité résonnante. Nous considérons le cas d'un qubit de charge et celui d'un transmon qui exploite l'effet Purcell. Avec le Lindbladien nous obtenons la matrice densité dont nous dérivons le spectre du champ créé. Enfin, nous étudions un gaz d'atomes froids dans un piège circulaire comportant une barrière, créant une jonction de Bose Josephson. La physique à basse énergie est décrite à travers les fonctions de corrélation avec la théorie du liquide de Luttinger. Nous montrons que les fluctuations quantiques dans l'anneau induisent une renormalisation de l'énergie Josephson.