Universität zu Köln

Herrig, Tobias ORCID: 0000-0001-9326-8249 (2025). Emergent phenomena in conventional superconducting quantum devices. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Conventional superconducting quantum devices are highly versatile systems constituting a sandbox platform for the emulation of quantum condensed matter physics. We here present various circuits mimicking solid state systems like topological or moir\'e materials, partially enabled by feasible ideas for exotic capacitances. We discuss the Cooper-pair transistor representing a minimal topological circuit that simulates a Chern insulator. Its topological state results in a quantization of a current response that is robust against typically detrimental external perturbations, most notably charge noise, quasiparticle poisoning, and finite temperature contributions. On the contrary, low-frequency charge noise is actually even beneficial for the observation of the quantized response. Moreover, we propose a quasiperiodic capacitance made of standard circuit elements and provide insight into its diverse applications. First we use its nonlinear nature to implement topologically protected degeneracies in 2D, whose Dirac character suppresses classical finite-frequency current noise. Second it facilitates the emulation of incommensurate physics by creating a quasiperiodic potential in charge space. As an example we propose a circuit showing Anderson localization in charge space by implementing the Aubry-Andr\'e model in 1D as well as a multidimensional version. We as well design circuits which can reproduce Hofstadter's butterfly and the magic-angle effect, accessible via spectroscopic transport measurements. One key endeavor was to investigate the influence of parasitic linear capacitances, which are unavoidable in this circuit implementation. They give rise to harmonic traps known from cold atom systems. Crucially, the here considered spectral signatures are nonetheless observable and a provided convolution formula can connect the density of states with and without harmonic trap, valid for general systems even beyond quantum circuits.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language UNSPECIFIED German
Translated abstract:	Abstract Language Konventionelle supraleitende Quantenschaltkreise sind äußerst vielseitige Systeme, die eine höchst geeignete Plattform zur Emulation der Physik der kondensierten Materie darstellen. Hier präsentieren wir verschiedene Schaltkreise, die Festkörpersysteme wie topologische oder Moiré-Materialien nachahmen, zum Teil ermöglicht durch realisierbare Konzepte für exotische Kapazitäten. Der Cooper-Paar-Transistor stellt einen minimalen topologischen Quantenschaltkreis dar, welcher einen Chern-Isolator simuliert. Sein topologischer Zustand sorgt für eine Quantisierung einer Stromantwort, welche sich gegenüber typischerweise schädlicher externer Störeffekte robust zeigt, insbesondere Ladungsrauschen, Quasiteilchen-Vergiftung und endliche Temperaturen. Überraschenderweise ist niederfrequentes Ladungsrauschen sogar vorteilhaft für die Beobachtung der quantisierten Stromantwort. Darüber hinaus stellen wir eine quasiperiodische Kapazität aus Standard-Schaltkreiselementen vor und geben Einblicke in die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des neuen Elements. Als Erstes nutzen wir seine nichtlineare Natur um topologisch geschützte Punktentartungen in 2D zu implementieren, dessen Dirac-Charakter klassisches Ladungsrauschen endlicher Frequenzen unterdrückt. Als Zweites ermöglicht es die Emulation von inkommensurabler Physik indem es ein quasiperiodisches Potential im Ladungsraum erzeugt. Als Beispiel präsentieren wir Schaltkreise, die das Aubry-André-Modell in 1D sowie einer mehrdimensionalen Version implementieren und damit Anderson-Lokalisierung im Ladungsraum zeigen. Wir entwerfen auch Schaltkreise, welche den Hofstadter-Schmetterling und den Effekt „magischer“ Winkel in verdrehten Van-der-Waals-Heterostrukturen nachbilden, die durch spektroskopische Transportmessungen zugänglich sind. Ein zentrales Ziel war es, den Einfluss parasitärer linearer Kapazitäten zu untersuchen, welche in Schaltkreisrealisierungen dieser Art unvermeidbar sind. Sie erzeugen harmonische Potentiale wie sie auch in Systemen extrem kalter Atome auftauchen. Entscheidend ist jedoch, dass die hier betrachteten spektralen Signaturen dennoch in gewisser Form erhalten bleiben und eine hergeleitete Faltungsgleichung die Zustandsdichte des Systems mit und ohne harmonischem Potential miteinander verbinden kann, gültig für allgemeine Systeme sogar jenseits Quantenschaltkreisen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Herrig, Tobias t-herrig@web.de orcid.org/0000-0001-9326-8249 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-750118
Date:	2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > Forschungszentrum Jülich
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language superconducting circuits English quantum circuits English circuit quantum electrodynamics English transport phenomena English topology English topological phases of matter English topological phase transitions English quasiperiodicity English magic angle effect English nonlinear capacitance English negative capacitance English Hofstadter's butterfly UNSPECIFIED Quantenschaltkreise German topologischer Transport German
Date of oral exam:	11 March 2024
Referee:	Name Academic Title Riwar, Roman-Pascal Dr. Diehl, Sebastian Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/75011