[論文レビュー] Coherent Josephson thermodynamic cycles

Francesco Vischi, Matteo Carrega+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2018

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 85被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、超伝導体/正規金属/超伝導体（SNS）ジャンクションにおける、位相に依存する、等エントロピー過程を介した位相調整可能で整合的な冷却を可能にする新規な量子熱力学サイクルを提案する。断熱的隔離状態において位相差を0からπに調整することで、電子温度が顕著に低下し、現実的な設定でも1mK未塔の冷却を達成する。これは、量子技術分野における冷却の新たな道筋を示している。

ABSTRACT

A superconductor/normal metal/superconductor Josephson junction is a coherent electron system where the thermodynamic entropy depends on temperature and phase difference across the weak-link. Here, exploiting the phase-temperature thermodynamic diagram of a thermally isolated system, we argue that a cooling effect can be achieved when the phase drop across the junction is brought from 0 to $π$ in a iso-entropic process. We show that iso-entropic cooling can be enhanced with proper choice of geometrical and electrical parameters of the junction, i.e. by increasing the ratio between supercurrent and total junction volume. We present extensive numerical calculations using quasi-classical Green function methods for a short junction and we compare them with analytical results. Interestingly, we demonstrate that phase-coherent thermodynamic cycles can be implemented by combining iso-entropic and iso-phasic processes acting on the weak-link, thereby engineering the coherent version of thermal machines such as engines and cooling systems. We therefore evaluate their performances and the minimum temperature achievable in a cooling cycle.

研究の動機と目的

• 拡散領域におけるプロキシマイズドSNSジョセフソンジャンクションの位相依存的熱力学的性質を調査すること。
• 外部から位相差を調整することで、断熱的隔離されたSNSジャンクションにおける等エントロピー冷却の可能性を検討すること。
• 等エントロピー過程と等位相過程の組み合わせを用いて、エンジンや冷却機としての整合的熱力学サイクルの設計および解析を行うこと。
• 冷却出力、効率、および達成可能な最小温度の観点から、このようなサイクルの性能を評価すること。
• 2次元電子系を用いた実現可能な実験的プラットフォームを提案し、1K未塔の冷却応用を目的とすること。

提案手法

• 準古典的グリーン関数法を用いてSNSジャンクションをモデル化し、位相および温度に依存する熱力学的量（エントロピー、比熱など）を計算すること。
• 短いジャンクション極限における熱力学的性質の漸近的表現を導出するために、Kohn–Oppeheimer（KO）理論を用いること。
• 位相差の変更中にエントロピーが保存される等エントロピー過程を可視化するため、位相-温度熱力学図を構築すること。
• 2つの等エントロピー過程（位相を0からπに変更し、元に戻す）と2つの等位相過程（熱浴との平衡化）を組み合わせることでジョセフソンサイクルを実装すること。
• 外部の熱浴（異なる温度）との熱交換を用いて、冷却出力および効率を計算すること。
• 電子-フォノン結合および熱バランスを考慮し、2次元電子系を冷却フィンとして用いた現実的な設定における性能を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 断熱的隔離状態で位相差を調整することにより、位相調整可能なSNSジョセフソンジャンクションで等エントロピー冷却が達成可能か？
• RQ2 ジョセフソンジャンクションの幾何学的形状および電気的パrameter（臨界電流、体積など）が、冷却効率および達成可能な温度低下にどのように影響するか？
• RQ3 等エントロピー過程と等位相過程を組み合わせたジョセフソンサイクルの性能特性（冷却出力、効率）はいかなるものか？
• RQ4 2次元電子系を冷却フィンとして用いた現実的な実験設定において、達成可能な最小電子温度はどの程度か？
• RQ5 電子-フォノン結合は、1K未塔冷却系における平衡温度にどのように影響するか？

主な発見

• 断熱的隔離状態のSNSジャンクションにおいて、位相差を0からπに調整することで等エントロピー冷却が達成され、エントロピーが保存される中で電子温度が顕著に低下する。
• 超電流とジャンクション体積の比を増加させることで冷却効果が強化され、エントロピーの位相依存性が増幅される。
• 準古典的グリーン関数を用いた数値シミュレーションにより理論的予測が確認され、短いジャンクション領域では解析結果と良好に一致する。
• 2つの等エントロピー過程と2つの等位相過程を組み合わせたジョセフソンサイクルは、調整可能なパラメータを介して、整合的熱機関または冷却機として機能可能であり、性能が調整可能である。
• 2次元電子系フィン（面積約100 µm²）と100 mKのフォノンバスタを用いた現実的な設定において、平衡状態の電子温度は約1 mKに達する。
• システムの性能は1K未塔領域においても安定しており、電子-フォノン結合モデルによる冷却効率の支持が示され、量子技術分野への応用可能性が極めて高い。