KIP-Veröffentlichungen

Drei-Ton Spektroskopie von nichtlinearen atomaren Zwei-Niveau Tunnelsystemen im Nichtgleichgewicht

Diese Arbeit untersucht die dielektrischen Eigenschaften von atomaren Zwei-Niveau Tunnelsystemen (TS) unter dem Einfluss hochfrequenter elektrischer Felder. Die Probe bildet dabei das Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten eines supraleitenden LC-Resonators und aus der gemessenen Güte wird der dielektrische Verlust der Probe ermittelt. Wenn zwei um die Resonanz symmetrisch verstimmte Pumpfelder angelegt werden, kann im verwendeten Aufbau ein einzigartiges Verhalten beobachtet werden: Für bestimmte Stärken und Verstimmungen der Pumpfelder beginnt der Resonator auf deren Mittelfrequenz zu emittieren. Außerdem treten zusätzliche Linien im Frequenzspektrum bei der Mittel- und Differenzfrequenz der Pumpfelder auf. Dies deutet auf einen Energietransfer hin, der durch die Nichtlinearität der TS gesteuert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Einflüsse verschiedenster experimenteller Parameter auf das Auftreten und die Stärke der Emission untersucht und eine mögliche Erklärung ausgearbeitet. Wir stellen das Konzept eines selbst-induzierten Vorspannungsfelds vor und verifizieren die Kompatibilität der gemessenen Daten mit dem theoretischen Nichtgleichgewichtsverhalten von TS. Wir beobachten außerdem, dass sich bei Auftreten der Emission die Resonanzfrequenz relativ zur Mittelfrequenz der Pumpfelder verschiebt, was dem Verhalten eines nichtlinearen Duffing-Oszillators entspricht. Die Verschiebung kann erfolgreich durch das analytische Model eines Duffing- Oszillators mit zwei externen Anregungen modeliert werden. Ähnliche Ergebnisse liefern auch Simulationen eines quantenmechanischen Resonators.

Three-Tone Spectroscopy of Non-linear Two-Level Atomic Tunnelling Systems in Non-Equilibrium

Within the thesis at hand, we investigate the dielectric properties of two-level atomic tunnelling systems (TSs) under the influence of high frequency electric fields. We access the dielectric loss by measuring the quality factor of a superconducting bridge-type LC-resonator with the sample as the dielectric medium between the capacitor plates. When applying two off-resonant ac pump fields symmetrically, a unique phenomenon is observed: At certain strengths and relative positions of the applied fields, the resonator starts to emit at the intermediate frequency of the pump fields. Furthermore, we observe strong spectral contributions at the center- and difference-frequencies of the pump fields. This indicates an energy transfer mediated by the non-linearity of the TSs. In this thesis, we analyse the influence of experimental parameters on the occurrence and strength of the emission and provide a possible explanation for the observed emission. We introduce the concept of self-biasing, which we verify to be compatible with the theoretical non-equilibrium behaviour of TSs. In the limit of emission, the resonance frequency is shifted from the position of the center frequency, which is found to originate from the characteristic properties of non-linear Duffing-type oscillators. It is successfully modelled by the analytical solution of a Duffing-type oscillator with two external driving forces as well as with resonator simulations within a quantum-mechanical framework.