Physikalisches Institut

Ratschen

Die Gewinnung von Arbeit aus thermischen Fluktuationen oder Rauschen ist ein Menscheitstraum seit der Entdeckung der Brownschen Bewegung. Unglücklicherweise verbietet der zweite Haupsatz die Gewinnung von Arbeit aus Gleichgewichtsfluktuationen. Aber... aus Nichtgleichgewichtsfluktuationen lässt sich sehr wohl Arbeit gewinnen unter Verwendung von Bauelementen mit gebrochener Reflexionssymmetrie, den sogenannten Ratschen.

Unser Interesse gilt der experimentellen Untersuchung von Ratschen basierend auf SQUIDs und basierend auf der Bewegung von Flusswirbeln in Supraleitern und Josephson Kontakten. Von besonderem Interesse sind Fragestellungen wie: Ist die Gleichrichtung von fast weißem Rauschen möglich, was ist der Einfluss von Trägheit in Ratschensystemen, wie kann die gerichtete Bewegung umgekehrt werden und was sind die Eigenschaften von Ratschen im Quantenregime?

SQUID Ratschen

In einer SQUID Ratsche bewegt sich ein imaginäres Teilchen, dessen Ortskoordinaten durch die Phasendifferenzen der beteiligten Josephson Kontakte repräsentiert wird. Die Bewegung erfolgt in einem zwei- oder dreidimensionalen Potential, das durch die Wahl der Kontaktparameter und durch ein angelegtes magnetisches Feld asymmetrisch gemacht werden kann. Der Vorteil von Josephson Ratschen besteht darin, dass die (im zeitlichen Mittel) gerichtete Bewegung der Phasendifferenzen eine Gleichspannung erzeugt, die sich vergleichsweise leicht messen lässt. Darüber hinaus sind Josephson Bauelemente sehr schnell und darum geeignet, Rauschen in einem großen Frequenzbereich von dc bis mehrere 100 GHz gleichzurichten.

Josephson Vortex Ratschen

In einem langen Josephson-Kontakt spielt ein Josephson-Vortex (Fluxon) die Rolle eines Teilchens. Vom mathematischen Standpunkt aus gesehen ist das Fluxon ein Soliton und hat viele teilchenähnlichen Eigenschaften, wie die Masse, Geschwindigkeit, Impuls, Energie, usw. Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein asymetrisches Potential für einen Josephson-Flusswirbel zu erzeugen: Geeignete Formgebung (d.h. "Verbiegen" des Kontaktes in der Ebene), Verwendung von Kontakten mit variabler Breite oder Einsatz von eher exotischen Verfahren wie das Injizieren von zusätzlichen Strömen in geigneter Art und Weise. Ähnlich wie bei den SQUID Ratschen besteht der Vorteil von Josephson Vortex Ratschen darin, dass die (im zeitlichen Mittel) gerichtete Bewegung des Flusswirbels eine Gleichspannung erzeugt, die leicht gemessen werden kann ohne den Flusswirbel abbilden zu müssen. Darüber hinaus sind Josephson Bauelemente sehr schnell und darum geeignet Rauschen in einem großen Frequenzbereich von dc bis mehrere 100 GHz gleichzurichten. Eine Besonderheit von Josephson Vortex Ratschen ist die Tatsache, dass die hier transportierten Flusswirbel keine punktförmigen Objekte sondern Solitonen in einem asymetrischen Potenzial sind. Viele theoretische Ergebnisse, die für punktförmige Teilchen erhalten wurden, sind daher nicht direkt anwendbar und es ist neues und interessantes Verhalten zu erwarten.

Abrikosov Vortex Ratschen

Potentiale für Abrikosov Vortices lassen sich durch ein Gitter von Antidots (Löcher oder Sacklöcher) in einem supraleitenden Film erzeugen. Sowohl durch die Form als auch die Anordnung der Löcher kann das Potential asymmetrisch gemacht werden. Vortices werden von Antidots verankert ("gepinnt"), sind Fluktuationen unterworfen und können von einem Pinningzentrum zum nächsten hüpfen. Gerichtete Bewegung der Vortices kann als Spannung transversal zur Bewegungsrichtung der Vortices gemessen werden.

Absolut Negativer Widerstand

Wenn man ein System ohne jeglichen systematischen Transport durch eine statische Kraft stört, erwartet man als Antwortverhalten das Einsetzen eines Transportprozesses in Richtung dieser Kraft. Das genau entgegengesetzte Antwortverhalten, nämlich ein systematischer Transport entgegen der angelegten statischen Kraft, bezeichnet man, je nach System, als absolut negative Mobilität, absolut negative Leitfähigkeit, oder absolut negativen Widerstand (ANW). Dieser Effekt lässt sich mit Josephsonkontakten unter Mikrowellenantrieb implementieren und im Detail studieren.

Publikationen der Arbeitsgruppe