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Revue de Physique Appliquée

Sensitivity of Josephson-effect millimeter-wave radiometer

Hiroshi Ohta, M. J. Feldman, P. T. Parrish, R. Y. Chiao

Published Jan 1, 1974• 8 citations
Publisher

Abstract

Résumé. 2014 On calcule la température de bruit et la température minimum détectable d’une jonction Josephson soumise à un rayonnement millimétrique en utilisant l’équation de Fokker-Planck. La température de bruit obtenue peut être très voisine de la température ambiante. Un récepteur pour radiotélescope à très large bande utilisant une jonction Josephson peut avoir une température minimum détectable inférieure à celle d’un maser à ondes progressives. Abstract. 2014 The noise temperature and the minimum detectable temperature of a Josephson junction in video detection of microwave and millimeter-wave radiation has been calculated. We use the well-known method based on a Fokker-Planck equation. The noise temperature can be very close to ambient temperature. Because its predetection bandwidth is very wide, a Josephson-effect radio telescope receiver can have a minimum detectable temperature better than that of a traveling-wave maser. REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 9, JANVIER 1974, PAGE We apply monochromatic radiation to a Josephson junction to determine the frequency dependence of the response. We use a phenomenological model for a Josephson junction, with signal radiation and current noise, described by the equations: These are standard symbols and are given in reference [1]. R is the parallel combination of the junction resistance and the source resistance. The noise current has a white spectum A very important assumption is that the capacitance is small We treat the radiation as a perturbation. The solu-tion of the unperturbed equation without radiation or noise is the voltage-current curve

DOI
10.1051/rphysap:019740090106100

Related papers

Sensitivity of Josephson junctions in video detection of microwave and millimeter-wave radiation

Hiroshi Ohta

The responsivity and the noise equivalent power (NEP) of Josephson junctions in video detection of microwave and millimeter-wave radiation have been calculated. The sensitivity to radiation is assumed to be limited by the rounding of the voltage-current curve due to thermal noise of both the source resistance and the junction resistance. The calculated NEP is at least several tens of times better than any experimentally established.

Journal of Applied Physics•Dec 1, 1972•12 citations

Statistique de photons d'une jonction tunnel déduite de mesures de potentiel électrique à l'aide d'un amplificateur paramétrique Josephson

Jean Olivier Simoneau

On présente dans ce mémoire la mesure de la statistique de photons des fluctuations électromagnétiques micro-ondes d’une jonction tunnel placée à ultra-basse température. En particulier, on déduit cettedite statistique en mesurant les cumulants des fluctuations de courant générées par une jonction tunnel polarisée en courant continu et photoexcitée par un signal haute fréquence. On utilise un amplificateur paramétrique Josephson en tant que premier maillon de la chaîne d’amplification en raison de son bruit près de la limite quantique. On développe aussi un modèle pour tenir compte de sa saturation, celle-ci étant apparente à des puissances de signal incident très faibles. C’est, à ma connaissance, la première fois qu’un tel amplificateur est utilisé pour étudier la physique au sein du bruit émis par un conducteur mésoscopique. Les résultats mettent en évidence l’apparition d’un excès dans le quatrième cumulant lorsque la photoexcitation s’effectue au double de la fréquence de mesure. Un développement mathématique simple nous permet d’associer cet excès à la statistique de photons, sous la forme d’une augmentation – à nombre de photons fixe – de la variance du nombre moyen de photons contenue dans le signal. C’est en fait une signature de l’émission de paires de photons corrélés par la jonction tunnel photoexcitée. Ces résultats font le pont entre ceux obtenus précédemment par notre groupe de recherche quant aux cumulants d’ordre supérieur du bruit et ceux associées aux parallèles entre l’optique quantique et les fluctuations de courant des dispositifs mésoscopiques. [Gasse et al. PRL 111, 136601 (2013) ; Forgues et al. Scientific Reports 3, 2869 (2013) ; Forgues et al. PRL 113, 043602 (2014)] Ils dressent un portait intéressant du bruit photoexcité en termes normalement associés à l’optique quantique.

•Dec 1, 2015•0 citations

Josephson photonics : microwave generation & amplification in the quantum regime

Florian Blanchet

Photonique Josephson : génération & amplification micro-ondes en régime quantique La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.

•Dec 17, 2018•0 citations

Josephson photonics : microwave generation & amplification in the quantum regime

Florian Blanchet

La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.

•Dec 17, 2018•0 citations

Réseaux de SQUIDs à haute température critique pour applications dans le domaine des récepteurs hyperfréquences

Eliana Recoba Pawlowski

Les circuits à base de jonctions Josephson comme les filtres à interférences quantiques, nommés SQIF (Superconducting Quantum Interference Filter), sont des capteurs très sensibles au champ magnétique. Les éléments de base d’un tel circuit sont les SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Aussi performants dans la détection de champ magnétique, ces derniers ne permettent pas de réaliser des mesures absolues. De plus, la nécessité d’un asservissement par une boucle à verrouillage de flux limite la bande de fréquence d’utilisation. Les SQIF n’ont pas cette limitation et permettent les mesures absolues de champ magnétique. Leur capacité à combiner une taille compacte, une très bonne sensibilité et une large bande fréquentielle d’utilisation fait de ces capteurs des sérieux concurrents aux antennes classiques. Des mesures expérimentales avec des SQIF HTS faits par la technologie de jonctions irradiées montrent qu’il est possible de réaliser la détection de signaux radiofréquence jusqu’au moins 5 GHz en configuration de champ proche et en environnement non magnétiquement blindé. Afin de réaliser l’adaptation d’impédance et améliorer les caractéristiques DC de ces capteurs, différentes géométries de réseau sont étudiées. L’étude permet de définir les paramètres d’importance dans la conception de circuits SQIF afin de réaliser des détecteurs radiofréquence performants.

•May 28, 2019•0 citations

A mesoscopic spectrometer based on the Josephson effect

J. Griesmar

Un spectromètre mésoscopique reposant sur l'effet Josephson Cette thèse décrit la réalisation d’un nouveau dispositif pour la physique mésoscopique : le spectromètre Josephson. Il est composé de deux jonctions Josephson et repose sur l’effet Josephson pour convertir une tension continue en oscillations micro-ondes de fréquence pouvant atteindre 180 GHz. L’absorption de ces photons est directement mesurée sur la caractéristique courant-tension du spectromètre.Le spectromètre est soigneusement dessiné pour éviter qu’il n’excite des modes électromagnétiques parasites et pour optimiser le couplage au système d’intérêt.Le spectromètre Josephson est utilisé pour mesurer le spectre de quatre systèmes simples dans une large gamme de fréquences : un mode de résonateur LC autour de 150 GHz, l’excitation de quasiparticules dans un supraconducteur au-dessus de 90 GHz, la fréquence plasma d’une jonction Josephson autour de 15 GHz et la fréquence plasma d’un RF-SQUID autour de 80 GHz.Finalement, quelques systèmes plus complexes et stimulants pouvant être sondés avec le spectromètre sont présentés, ainsi que quelques améliorations à apporter à la version actuelle du spectromètre.

•Dec 10, 2018•1 citation
Résumé. 2014 On calcule la température de bruit et la température minimum détectable d’une jonction Josephson soumise à un rayonnement millimétrique en utilisant l’équation de Fokker-Planck. La température de bruit obtenue peut être très voisine de la température ambiante. Un récepteur pour radiotélescope à très large bande utilisant une jonction Josephson peut avoir une température minimum détectable inférieure à celle d’un maser à ondes progressives. Abstract. 2014 The noise temperature and the minimum detectable temperature of a Josephson junction in video detection of microwave and millimeter-wave radiation has been calculated. We use the well-known method based on a Fokker-Planck equation. The noise temperature can be very close to ambient temperature. Because its predetection bandwidth is very wide, a Josephson-effect radio telescope receiver can have a minimum detectable temperature better than that of a traveling-wave maser. REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 9, JANVIER 1974, PAGE We apply monochromatic radiation to a Josephson junction to determine the frequency dependence of the response. We use a phenomenological model for a Josephson junction, with signal radiation and current noise, described by the equations: These are standard symbols and are given in reference [1]. R is the parallel combination of the junction resistance and the source resistance. The noise current has a white spectum A very important assumption is that the capacitance is small We treat the radiation as a perturbation. The solu-tion of the unperturbed equation without radiation or noise is the voltage-current curve
On présente dans ce mémoire la mesure de la statistique de photons des fluctuations électromagnétiques micro-ondes d’une jonction tunnel placée à ultra-basse température. En particulier, on déduit cettedite statistique en mesurant les cumulants des fluctuations de courant générées par une jonction tunnel polarisée en courant continu et photoexcitée par un signal haute fréquence. On utilise un amplificateur paramétrique Josephson en tant que premier maillon de la chaîne d’amplification en raison de son bruit près de la limite quantique. On développe aussi un modèle pour tenir compte de sa saturation, celle-ci étant apparente à des puissances de signal incident très faibles. C’est, à ma connaissance, la première fois qu’un tel amplificateur est utilisé pour étudier la physique au sein du bruit émis par un conducteur mésoscopique. Les résultats mettent en évidence l’apparition d’un excès dans le quatrième cumulant lorsque la photoexcitation s’effectue au double de la fréquence de mesure. Un développement mathématique simple nous permet d’associer cet excès à la statistique de photons, sous la forme d’une augmentation – à nombre de photons fixe – de la variance du nombre moyen de photons contenue dans le signal. C’est en fait une signature de l’émission de paires de photons corrélés par la jonction tunnel photoexcitée. Ces résultats font le pont entre ceux obtenus précédemment par notre groupe de recherche quant aux cumulants d’ordre supérieur du bruit et ceux associées aux parallèles entre l’optique quantique et les fluctuations de courant des dispositifs mésoscopiques. [Gasse et al. PRL 111, 136601 (2013) ; Forgues et al. Scientific Reports 3, 2869 (2013) ; Forgues et al. PRL 113, 043602 (2014)] Ils dressent un portait intéressant du bruit photoexcité en termes normalement associés à l’optique quantique.
Photonique Josephson : génération & amplification micro-ondes en régime quantique La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.
La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.
Les circuits à base de jonctions Josephson comme les filtres à interférences quantiques, nommés SQIF (Superconducting Quantum Interference Filter), sont des capteurs très sensibles au champ magnétique. Les éléments de base d’un tel circuit sont les SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Aussi performants dans la détection de champ magnétique, ces derniers ne permettent pas de réaliser des mesures absolues. De plus, la nécessité d’un asservissement par une boucle à verrouillage de flux limite la bande de fréquence d’utilisation. Les SQIF n’ont pas cette limitation et permettent les mesures absolues de champ magnétique. Leur capacité à combiner une taille compacte, une très bonne sensibilité et une large bande fréquentielle d’utilisation fait de ces capteurs des sérieux concurrents aux antennes classiques. Des mesures expérimentales avec des SQIF HTS faits par la technologie de jonctions irradiées montrent qu’il est possible de réaliser la détection de signaux radiofréquence jusqu’au moins 5 GHz en configuration de champ proche et en environnement non magnétiquement blindé. Afin de réaliser l’adaptation d’impédance et améliorer les caractéristiques DC de ces capteurs, différentes géométries de réseau sont étudiées. L’étude permet de définir les paramètres d’importance dans la conception de circuits SQIF afin de réaliser des détecteurs radiofréquence performants.
Un spectromètre mésoscopique reposant sur l'effet Josephson Cette thèse décrit la réalisation d’un nouveau dispositif pour la physique mésoscopique : le spectromètre Josephson. Il est composé de deux jonctions Josephson et repose sur l’effet Josephson pour convertir une tension continue en oscillations micro-ondes de fréquence pouvant atteindre 180 GHz. L’absorption de ces photons est directement mesurée sur la caractéristique courant-tension du spectromètre.Le spectromètre est soigneusement dessiné pour éviter qu’il n’excite des modes électromagnétiques parasites et pour optimiser le couplage au système d’intérêt.Le spectromètre Josephson est utilisé pour mesurer le spectre de quatre systèmes simples dans une large gamme de fréquences : un mode de résonateur LC autour de 150 GHz, l’excitation de quasiparticules dans un supraconducteur au-dessus de 90 GHz, la fréquence plasma d’une jonction Josephson autour de 15 GHz et la fréquence plasma d’un RF-SQUID autour de 80 GHz.Finalement, quelques systèmes plus complexes et stimulants pouvant être sondés avec le spectromètre sont présentés, ainsi que quelques améliorations à apporter à la version actuelle du spectromètre.