Dit proefschrift beschrijft experimenteel onderzoek aan schakelingen met Josephson-juncties die zich quantummechanisch gedragen. De schakelingen bestaan uit supergeleidende eilanden ter grootte van enkele micrometers, die onderling verbonden zijn met een Josephson-tunneljunctie: een dunne isolerende laag tussen twee supergeleiders. Met de huidige microfabricagetechnieken is het mogelijk zeer schone juncties te maken, met goed gedefinieerde eigenschappen. Het gedrag van zulke juncties wordt bepaald door twee parameters. Een is de capaciteit van de junctie, die ontstaat door de parallelleplaatgeometrie van de junctie. De tweede is de Josephson-koppelingsenergie; een maat voor de tunnelkoppeling tussen de twee supergeleiders. Deze bepaalt hoeveel superstroom door de junctie kan stromen. Deze superstroom is direct gerelateerd aan een fasecoordinaat van de junctie. Schakelingen met Josephson-juncties hebben fase- en ladingscoordinaten die geconjugeerde variabelen zijn. Dit leidt tot quantummechanisch gedrag van deze schakelingen als de energieschalen voor het Josephsoneffect en ladingseffecten van dezelfde orde zijn. Door de supergeleiding in deze schakelingen, is de dynamica veel beter ontkoppeld van een dissipatieve omgeving dan voor de meeste vaste-stofschakelingen het geval is.
       Het in dit proefschrift beschreven onderzoek was gericht op de vraag of Josephson-junctieschakelingen quantumcoherente dynamica kunnen hebben, met een lange decoherentietijd. Het beantwoorden van deze vraag draagt bij aan drie, elkaar gedeeltelijk overlappende onderzoeksthema's die nu in de belangstelling staan in de wetenschappelijke gemeenschap. Ten eerste zouden deze systemen een veelbelovende kandidaat zijn voor het realiseren van een quantumcomputer als quantumcoherente dynamica van Josephson-junctieschakelingen met grote precisie gecontroleerd zou kunnen worden. Een voordeel van een quantumcomputer op basis van deze schakelingen is, dat de technologie voor het uitbreiden van een dergelijk systeem tot een grote geintegreerde quantumcomputer al beschikbaar is. Ten tweede zijn de stroomvrijheidsgraden van deze schakelingen macroscopisch; de stroom is het resultaat van de massa-middelpuntsbeweging van een zeer groot aantal microscopische ladingsdragers. Josephson-junctieschakelingen zijn daarom unieke modelsystemen om de geldigheid van quantummechanica voor macroscopische objecten te testen. Ten derde is het feit dat het kunstmatig gefabriceerde quantumsystemen zijn erg interessant. De gebruikte technologie staat toe de eigenschappen van de schakelingen in een groot parameterbereik te construeren, te controleren en te koppelen aan omgevingsinvloeden. Dit maakt deze systemen zeer geschikt voor onderzoek naar de grens tussen de klassieke- en quantumfysica en decoherentie.
       We beschrijven onderzoek aan twee verschillende schakelingen. Het eerste deel van dit proefschrift richt zich op een kleine supergeleidende ring met daarin drie Josephson-juncties. Het tweede deel behandelt werk aan een klein tweedimensionaal Josephson-junctienetwerk, dat bestaat uit twee gekoppelde ringen met juncties. In de ringen van beide systemen treden persisterende Josephson-stromen op als een klein magneetveld wordt aangelegd in de ringen.
       De Josephson-energie van de ring met drie juncties vormt een dubbele-putpotentiaal als de magnetische flux in de ring in de buurt van een half supergeleidend fluxquantum is. De toestanden op de bodems van de twee putten corresponderen met persisterende-stroomtoestanden van tegenovergestelde polariteit. Dit systeem was gerealiseerd met junctieparameters waarbij de Josephson-energie ongeveer een factor vijftig groter was dan de energieschaal voor enkele-ladingseffecten. Voor deze verhouding is een subtiele balans gerealiseerd in deze schakeling. De ladingseffecten in het systeem zijn nog steeds significant, en quantumtunnelen door de barriere tussen de twee stabiele persisterende-stroomtoestanden is mogelijk. Tegelijkertijd kan bij deze grote verhouding van de energieschalen het systeem zo worden geconstrueerd dat het zeer ongevoelig is voor de invloed van achtergrondladingen in de vaste-stofomgeving van de ring. Met microgolf-spectroscopie-experimenten is aangetoond dat dit systeem een kunstmatig gefabriceerd quantum-twee-niveausysteem is; we hebben zeer nauwe resonantie lijnen waargenomen die het gevolg zijn van microgolfgeinduceerde quantumovergangen tussen de quantumniveaus. Een afstoting van de quantumniveaus toonde aan dat quantum superpositietoestanden van de macroscopische persisterende-stroomtoestanden in dit systeem voorkomen. Metingen aan het systeem werden verricht door het in een DC-SQUID-magnetometer te plaatsen. Het meetproces en de resulterende ruis zijn geanalyseerd.
       De kleine tweedimensionale netwerken zijn bestudeerd in het regime waar de energieschalen voor het Josephson-effect en enkele-ladingseffecten van gelijke grootte waren. De netwerken hadden een zelfduale geometrie: Ze kunnen worden beschreven als twee gekoppelde eilanden met een hoge ladingsenergie, maar ook als twee gekoppelde ringen die ieder een persisterende stroom kunnen dragen. De tweede beschrijving correspondeert met die van een netwerk waarvan de mazen een vortex (wervelstroom) kunnen bevatten. Deze netwerken hadden een grondtoestand met quantumfluctuaties van vergelijkbare grootte in de ladingen en fasen van de juncties, door de Heisenberg-onzekerheidsrelatie tussen deze coordinaten. In dit regime zijn de schakelingen erg gevoelig voor de invloed van achtergrondladingen in de omgeving. Met capacitief gekoppelde gate-elektrodes is echter nauwkeurige controle over de enkele-Cooper-paareffecten in dit systeem gerealiseerd. Het Josephson-effect kon worden gecontroleerd door een klein magneetveld in de ringen aan te brengen. Hierdoor kon de balans tussen quantumfluctuaties in de Josephson-fasecoordinaten en de ladingscoordinaten van het netwerk nauwkeurig worden gecontroleerd en bestudeerd. De resultaten tonen aan dat superposities van ladings- en vortextoestanden op duale wijze voorkomen in deze netwerken. Microgolf-spectroscopiemetingen zijn gebruikt om aan te tonen dat deze netwerken overgangen kunnen maken naar geexciteerde quantumniveaus.
       Op basis van het hier beschreven onderzoek kan worden geconcludeerd dat met Josephson-junctieschakelingen goed gedefinieerde quantum systemen kunnen worden geconstrueerd. Quantum-superpositietoestanden van ladings- en persisterende-stroomtoestanden zijn aangetoond, en overgangen tussen quantumniveaus kunnen worden gecontroleerd met resonante microgolfstraling. Deze resultaten vormen een goede basis voor vervolgexperimenten die uitsluitsel moeten geven over de vraag of langdurige quantumcoherente dynamica kan worden gerealiseerd met deze systemen. Hiervoor moeten de quantumtoestanden worden gecontroleerd met gepulste microgolven. De technologie voor dergelijke experimenten, en voor het realiseren van experimenten aan een aantal gekoppelde quantumsystemen, is beschikbaar.

Caspar van der Wal
Delft, June 2001