Shalóm, Diego (2005) Dinámica de vórtices en redes de junturas Josephson / Vortex dynamics in Josephson junctions arrays. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
En este trabajo estudiamos la dinámica de vórtices en Redes de Junturas Josephson (RJJ) bidimensionales, sobreamortiguadas en un amplio rango de condiciones variando el campo magnético y la temperatura bajo la acción de corrientes continuas mediante herramientas experimentales, simulaciones numéricas y estudios analíticos. Desarrollamos el método de Fases Fijas, una variación de las técnicas de relajación numérica que consiste en fijar y controlar el valor las fases de algunas de las islas que rodean la singularidad, mientras se deja que todo el resto de las fases en el sistema relajen. De esta manera se fuerza al vórtice a ubicarse en la posición deseada, permitiendo calcular la energía potencial de un vórtice en posiciones que son inaccesibles a otros métodos de relajación. Utilizamos este método para estudiar la energía potencial de un vórtice en diversas situaciones en algunas RJJ homogéneas y no-homogéneas, como por ejemplo redes con defectos, redes acanaladas, y ratchets. Estudiamos los efectos de tamaño finito en RJJ mediante herramientas analíticas y numéricas. Para ello implementamos el denominado modelo de anillos, que consiste en reemplazar la red cuadrada bidimensional por una serie de anillos cuadrados, concéntricos y desacoplados. Esto simplemente supone despreciar la contribución de las junturas radials que acoplan los sucesivos anillos. Este modelo, a pesar de su extrema sencillez retiene los elementos más importantes de la dependencia de la energía con campo magnético. Combinamos este modelo con otros términos que dan cuenta de la dependencia con la posición del vórtice para obtener una expresión general para la energía potencial de un vórtice en una RJJ de tamaño finito en presencia de campo magnético. Presentamos una expresión para el primer campo crítico, correspondiente al valor de campo magnético al cual resulta energéticamente favorable la entrada del primer vórtice en la red. Construimos y estudiamos RJJ moduladas para formar potenciales periódicos y asimétricos para los vórtices, denominados ratchet. Los resultados experimentales muestran claramente que existe una rectificación del movimiento de vórtices en este tipo de potenciales. Incluso en ciertas condiciones particulares se observa un movimiento neto en sentido contrario a la fuerza media aplicada a los vórtices. Nuestros experimentos permiten identificar por primera vez el signo de los vórtices que son transportados, es decir si los que se mueven son vórtices o antivórtices. Asimismo nuestros resultados muestran que existe una fuerte interacción entre los efectos colectivos (interacción vórtice-vórtice, estructura de la red de vórtices) y la rectificación por efecto ratchet. Finalmente desarrollamos la técnica de medición de inductancia cinética anisotrópica, basada en el uso de un tipo novedoso de bobinas planas en forma de serpentina. Estas bobinas muestran claras ventajas sobre las bobinas tradicionales para la medición de muestras bidimensionales como las RJJ y películas superconductoras, debidas principalmente a la muy pequeña distancia que separa la muestra de las bobinas, a todo lo largo de éstas. Utilizamos esta técnica para estudiar los regímenes dinámicos de vórtices, cuando la fuerza debida a la corriente supera al anclaje y los vórtices son puestos en movimiento. Estos regímenes presentan un carácter anisotrópico, atribuido a que los vórtices en movimiento se acomodan en una estructura móvil que tiene longitudes de coherencia diferentes en la dirección paralela y perpendicular al movimiento
Resumen en inglés
In this work we study the dynamics of vortices in two-dimensional overdamped Josephson Junctions Arrays (JJA) driven by dc current in a wide range of conditions varying magnetic field and temperature using experiments, numerical simulations and analytic studies. We develop the Fixed Phase method, a variation of numeric relaxation techniques in which we fix and control the phase of some islands, adjacent to the vortex center, while allowing all other phases in the system to relax. In this way we are able to pull and push the vortex uphill, as we are forcing the center of rotation of the vortex currents to be in a defined location, allowing us to calculate the potential energy of a vortex located in any arbitrary position. We use this method to study the potential energy of a vortex in a variety of situations in homogeneous and non-homogeneous JJA, such as arrays with defects, channel arrays and ratchets. We study the finite size effects in JJA by means of analytic and numerical tools. We implement the rings model, in which we replace the two-dimensional square array by a series of square, concentric, uncoupled rings. This is equivalent to disregarding the radial junctions that couple consecutive rings. In spite of its extreme simplicity, this model holds the main ingredients of the magnetic dependence of the energy. We combine this model with other terms that take into account the dependence in the position of the vortex to obtain a general expression for the potential energy of a vortex in a finite JJA with applied magnetic field. We also present an expression for the first critical field, corresponding to the value of the magnetic field in which the entrance of the first vortex becomes energetically favorable. We build and study JJA modulated to form periodic and asymmetrical potentials for the vortices, named ratchet potentials. The experimental results clearly show the existence of a rectification in the motion of vortices in these potentials. Under certain conditions we were able to observe a net movement in the direction opposite to the average driving force. We also identify for the first time the sign of the vortices being transported, whether they are vortices or antivortices. In addition our results show a strong interaction between collective effects (vortex-vortex interactions, structure of the vortex lattice) and the rectifying ratchet effect. We finally develop the anisotropic kinetic inductance technique, based on a novel kind of flat serpentine shaped coils. This technique shows clear advantages over traditional coils to measure two-dimensional samples such as JJA and superconducting films. The main difference is the very short distance separating coils and sample, all along the coils. We use this technique to study the dynamical regimes of vortices, when the force due to the current overcomes the pinning force and the vortices are pushed to motion. These regimes show an anisotropic character, attributed to the fact that the vortices in motion form a mobile structure with different coherence length in the directions parallel and perpendicular to movement
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Física) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Josephson junctions; Finite-Range Interactions; Ratchting; Magnetic susceptibility; Anisotropy; Josephson; vórtices; Tamaño finito; Ratchet; Rectificación; Efectos colectivos; Fuerza continua; Susceptibilidad; Anisotropía; Fases dinámicas; Tamaño finito; Ratchet; Rectificación; Efectos colectivos; Fuerza continua; Susceptibilidad; Fases dinámicas; |
| Materias: | Física |
| Divisiones: | Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Bajas temperaturas |
| Código ID: | 23 |
| Depositado Por: | Administrador RICABIB |
| Depositado En: | 28 Abr 2010 10:50 |
| Última Modificación: | 28 Abr 2010 10:50 |
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