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Josephson effect: voltage standard

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Academic year: 2021

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(1)

Enrico Silva - diritti riservati - Non è permessa, fra l’altro, l’inclusione anche parziale in altre opere senza il consenso scritto dell’autore

Josephson effect: voltage standard

Enrico Silva - diritti riservati - Non è permessa, fra l’altro, l’inclusione anche parziale in altre opere senza il consenso scritto dell’autore

Physics

Across a JJ irradiated by an ac current of frequency ƒ=ω/2π there are current spikes

at voltages V n = n !

2e ω = nΦ 0 f

n = 1, 2, 3, ....

Amplitude of the time-averaged supercurrent spikes (J n : Bessel function of order n):

|I s,n | = I c

!

!

!

!

J n " Φ 0 V rf f

#!

!

!

!

I ƒ

Enrico Silva - diritti riservati - Non è permessa, fra l’altro, l’inclusione anche parziale in altre opere senza il consenso scritto dell’autore

Overdamped JJ

Voltage Steps by increasing current under microwave irradiation (here ƒ=10 GHz) V n = n

!

2e ω = nΦ 0 f n = 1, 2, 3, ....

|I s,n | = I c

!

!

!

!

J n " Φ 0 V rf f

#!

!

!

!

V

I

V

I 20 µV

I

ƒ

Figures from:

J. Niemeyer, in

“Handbook of Applied Superconductivity”, ed. by B. Seeber IOP Publishing, 1998

No microwave irradiation β C = 2π

Φ 0 I o R 2 N C ≪ 1

Tuesday, November 6, 12

(2)

Enrico Silva - diritti riservati - Non è permessa, fra l’altro, l’inclusione anche parziale in altre opere senza il consenso scritto dell’autore

A voltage standard?

V n = n

!

2e ω = nΦ 0 f n = 1, 2, 3, ....

|I s,n | = I c

!

!

!

!

J n " Φ 0 V rf

f

#!

!

!

!

I

ƒ

Many (10 3÷4 ) junctions in series ? Use high n ?

Warning: 100 GHz ––> V ≈ 200 µV (n=1):

compare to 1 V or 10 V voltage standard.

Enrico Silva - diritti riservati - Non è permessa, fra l’altro, l’inclusione anche parziale in altre opere senza il consenso scritto dell’autore

Underdamped JJ

Zero current steps:

V n = n

!

2e ω = nΦ 0 f n = 1, 2, 3, ....

|I s,n | = I c

!

!

!

!

J n " Φ 0 V rf f

#!

!

!

!

I

ƒ

(recall the washboard potential)

!"#

!"$

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!

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!

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Experimental IVCs obtained for an underdamped and overdamped Nb Josephson junction under microwave radiation. The IVCs clearly show the constant voltage steps at Vn (data from C.A. Hamilton, Rev. Sci. Instr. 71, 3611 (2000)).

Figure from:

R. Gross, A. Marx, Walther Meissner Institut http://www.wmi.badw.de/teaching/Lecturenotes/

β C = 2π

Φ 0 I o R 2 N C ≫ 1

Enrico Silva - diritti riservati - Non è permessa, fra l’altro, l’inclusione anche parziale in altre opere senza il consenso scritto dell’autore

Underdamped JJ

Zero current steps:

V n = n !

2e ω = nΦ 0 f n = 1, 2, 3, ....

|I s,n | = I c

!

!

!

!

J n " Φ 0 V rf f

#!

!

!

!

I

ƒ

current

v o lt a g e

1.5 mV

-1.5 mV

(a) (b)

I V

(recall the washboard potential)

Tuesday, November 6, 12

(3)

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Problem: unequal switching

But: stable zero current steps –> long-term (calibration) phase lock to the external microwave oscillator for a large series array.

• reduction of external noise

• avoid a Josephson junctions regime where chaotic phenomena can occur.

Most stable when (numerical): ω = 2πf ≫

! 2eI c

! C V n = n

!

2e ω = nΦ 0 f

I

ƒ

Many (10 3÷4 ) junctions in series ? Warning: 100 GHz ––> V ≈ 200 µV (n=1):

compare to 1 V or 10 V voltage standard.

Underdamped junctions –> zero current steps

Low critical current High JJ capacitance (underdamped JJ)

Enrico Silva - diritti riservati - Non è permessa, fra l’altro, l’inclusione anche parziale in altre opere senza il consenso scritto dell’autore

Arrays of JJ

Many junctions in series

V n = n

!

2e ω = nΦ 0 f n = 1, 2, 3, ....

|I s,n | = I c

!

!

!

!

J n " Φ 0 V rf

f

#!

!

!

!

Figure from:

J. Niemeyer, in

“Handbook of Applied Superconductivity”, ed. by B. Seeber IOP Publishing, 1998

Problems:

• JJ homogeneity (over ~10 3 JJs): different junction parameters –> unequal switching –> chaos

• homogeneous irradiation

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Voltage standard

Figure from:

R. Gross, A. Marx, Walther Meissner Institut http://www.wmi.badw.de/teaching/Lecturenotes/

JJ in series, seen in parallel by the microwave stripline

NIST:

20208 (16 X 1263 lines) JJ operates at 75 GHz

Tuesday, November 6, 12

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Voltage standard

Figure from:

R. Gross, A. Marx, Walther Meissner Institut http://www.wmi.badw.de/teaching/Lecturenotes/

JJ in series, seen in parallel by the microwave stripline

-V

dc

+V

dc

antenna blocking capacitors

microwave dividers

te rm in a to rs

NIST: 3020 JJ series, 1V standard

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Voltage standard

Voltage standard. 14000 JJ.

Figures from:

J. Niemeyer, in

“Handbook of Applied Superconductivity”, ed. by B. Seeber IOP Publishing, 1998

Volts

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Voltage standard

Figure from:

R. Gross, A. Marx, Walther Meissner Institut http://www.wmi.badw.de/teaching/Lecturenotes/

1920 1940 1960 1980 2000

10

-9

10

-8

10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

∆ V / V

year

between labs within labs

!"#$%&'("))#

#*&+)"

,-&($*%&

#$.&/.0/#

.00.1

#$.&/.0/#

Note: relative accuracy between labs = within labs with JJ voltage standard (make use of fundamental constants!)

However, note:

Direct proof of accuracy of a Josephson Voltage Standard is impossible:

while frequency (which tunes the Shapiro steps) can be determined to 10 –12 , no other voltage source of sufficient accuracy exist!

The instrument under testing limits the accuracy of the calibration.

Tuesday, November 6, 12

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