Ce travail, centre autour de la comprehension du comportement a haute frequence (proche de la frequence de gap) d'un melangeur a jonction supraconducteur/isolant/supraconducteur (sis), comporte deux themes: l'intervention des courants josephson dans le fonctionnement du melange (bruit, pertes), et l'effet des processus d'absorption pour une frequence superieure au gap. La theorie de la supraconductivite de bardeen, cooper et schrieffer est rappelee au chapitre 2 et le fonctionnement d'un melangeur a jonction sis est decrit de maniere theorique et experimentale au chapitre 3. Des experiences mettant en lumiere le bruit ramene dans le processus de melange par des courants josephson parasites ont ete effectuees: ce bruit supplementaire se traduit par des pics de puissance de forme particuliere au voisinage des tensions de shapiro. Au chapitre 4 sont enumeres les problemes engendres par la presence de courants josephson dans un melangeur a quasiparticules ; les solutions utilisables (imposition d'un champ magnetique) sont donnees ainsi que leurs limitations. Enfin, le bruit engendre dans le melangeur par des courants josephson mal annules est calcule au voisinage des marches de shapiro et des simulations numeriques montrent qu'il n'est pas negligeable devant le bruit produit par les courants de quasiparticules. Il est prouve egalement que la part de bruit josephson dans le bruit total augmente avec la frequence de detection. La forme des pics de puissance de bruit est justifiee de maniere theorique. La contribution des courants josephson aux proprietes de conversion du melange est egalement discutee. Au chapitre 5 est decrite une methode systematique d'annulation du courant josephson dans les reseaux de jonctions en serie, qui fournit egalement une methode de caracterisation de ces reseaux du point de vue de leur homogeneite de surfaces et densites de courant critique. L'effet d'une radiation de frequence superieure au gap est discutee au chapitre 6 et des solutions technologiques sont donnees pour l'operation de jonctions au nb jusqu'au thz
Ce travail, centre autour de la comprehension du comportement a haute frequence (proche de la frequence de gap) d'un melangeur a jonction supraconducteur/isolant/supraconducteur (sis), comporte deux themes: l'intervention des courants josephson dans le fonctionnement du melange (bruit, pertes), et l'effet des processus d'absorption pour une frequence superieure au gap. La theorie de la supraconductivite de bardeen, cooper et schrieffer est rappelee au chapitre 2 et le fonctionnement d'un melangeur a jonction sis est decrit de maniere theorique et experimentale au chapitre 3. Des experiences mettant en lumiere le bruit ramene dans le processus de melange par des courants josephson parasites ont ete effectuees: ce bruit supplementaire se traduit par des pics de puissance de forme particuliere au voisinage des tensions de shapiro. Au chapitre 4 sont enumeres les problemes engendres par la presence de courants josephson dans un melangeur a quasiparticules ; les solutions utilisables (imposition d'un champ magnetique) sont donnees ainsi que leurs limitations. Enfin, le bruit engendre dans le melangeur par des courants josephson mal annules est calcule au voisinage des marches de shapiro et des simulations numeriques montrent qu'il n'est pas negligeable devant le bruit produit par les courants de quasiparticules. Il est prouve egalement que la part de bruit josephson dans le bruit total augmente avec la frequence de detection. La forme des pics de puissance de bruit est justifiee de maniere theorique. La contribution des courants josephson aux proprietes de conversion du melange est egalement discutee. Au chapitre 5 est decrite une methode systematique d'annulation du courant josephson dans les reseaux de jonctions en serie, qui fournit egalement une methode de caracterisation de ces reseaux du point de vue de leur homogeneite de surfaces et densites de courant critique. L'effet d'une radiation de frequence superieure au gap est discutee au chapitre 6 et des solutions technologiques sont donnees pour l'operation de jonctions au nb jusqu'au thz
Les recepteurs heterodynes utilisant des jonctions sis (supraconducteur-isolant-supraconducteur) sont actuellement les plus performants pour detecter des signaux faibles dans le domaine des longueurs d'onde submillimetriques. Tout d'abord, une nouvelle formulation de la theorie de tucker utilisant la geometrie analytique est presentee pour comprendre le fonctionnement quantique des melangeurs a jonctions sis et pour expliquer un certain nombre de leurs proprietes. Il est alors possible de deduire, pour chaque frequence, les valeurs optimales des parametres du circuit d'adaptation, de la tension de polarisation et de la puissance d'oscillateur local qui permettent d'atteindre la sensibilite maximale. Pour obtenir les meilleures performances, il est necessaire de compenser la forte capacite intrinseque de la jonction sis. Ceci est accompli par des circuits micro-ondes distribues constitues de lignes de transmission supraconductrices. Plusieurs modeles ont ete developpes pour calculer les proprietes de lignes de transmission supraconductrices en technologie microruban et coplanaire. Ils utilisent l'approximation quasi-statique et prennent en compte les pertes et la dispersion au-dessus de la frequence de gap des supraconducteurs. Ils sont valables pour les metaux normaux et les supraconducteurs a haute temperature critique. La conception et les performances de deux recepteurs sis developpes dans le cadre de ce travail, et centres sur 380 et 547 ghz respectivement, est ensuite presentee. Nous mettons alors en evidence les limitations de performance theoriques et experimentales pour les frequences superieures a la frequence de gap du supraconducteur utilise. Enfin, certains compromis importants a effectuer pour obtenir des recepteurs sis performants et stables, en vue d'une utilisation future dans l'espace, sont presentes. Nous faisons alors une analyse prospective des performances attendues jusqu'a 1,2 thz pour des recepteurs utilisant le niobium et le nitrure de niobium
Pour augmenter sa compréhension du monde qui l’entoure, le physicien moderne ne cesse de travailler au développement d’outils théoriques ou expérimentaux pour l’aider à répondre à ses questions fondamentales. Une partie de ces chercheurs tente de répondre à une question bien définie, mais simultanément très vague : qu’est-ce que le bruit électro- nique? Guidés par cette idée, certains étudient des dispositifs comme la jonction tunnel ou la jonction Josephson, alors que d’autres travaillent à l’amélioration des méthodes de détection du bruit. Le présent mémoire de maîtrise traite donc de la conception d’un outil de détection bien particulier, le micro-bolomètre supraconducteur de niobium-titane-niobium. La théorie derrière le fonctionnement d’un tel dispositif est expliquée à l’aide d’une comparaison entre un bolomètre conventionnel et un bolomètre supraconducteur. Des concepts comme la sensibilité d’un détecteur, la conductance thermique et la méthode d’utilisation sont présentés. Les étapes du procédé de fabrication sont ensuite explicitées dans les moindres détails. Finalement, les propriétés électroniques d’un tel micro-bolomètre sont analysées à l’aide de la courbe caractéristique courant-tension, de la courbe de transition supraconductrice en température et de dfférentes mesures en réflectométrie. La puissance équivalente de bruit (NEP) mesurée est de l’ordre de 10[indice supérieur −17] W/√Hz et le temps caractéristique de détection est de 1.43 μs. Le dispositif présenté dans ce mémoire a un avantage important par rapport aux bolomètres supraconducteurs généralement utilisés : il ne nécessite pas de courant de polarisation continu pour le mettre en fonctionnement. Ceci peut résulter en divers avantages technologiques.
Approches de théorie quantique des champs pour le transport quantique dans les nanostructures Dans une jonction Josephson entre deux supraconducteurs séparés par deux points quantiques (dots), les paires de Cooper, qui sont les entités élémentaires du courant Josephson DC, peuvent être éventuellement scindées (processus CAR). Lorsqu'un champ magnétique est appliqué entre ces deux dots, la dépendance du courant critique renseigne sur ce processus de transport non local par une mesure à l'équilibre. Une efficacité de séparation des paires de Cooper a été définie et permet d'indiquer quels jeux de paramètres pourraient permettre à l'expérimentateur d'optimiser cette délocalisation spatiale d'électrons. Dans une jonction Josephson entre deux supraconducteurs polarisée, un courant alternatif apparaît avec une fréquence Josephson proportionnelle à la tension appliquée. Dans une jonction entre trois supraconducteurs, plusieurs fréquences Josephson cohabitent. Néanmoins, lorque la borne centrale est mise à la terre et les deux bornes latérales sont polarisées avec des tensions commensurables, un courant Josephson DC apparaît traduisant le transport effectif de paires de Cooper. Des résultats numériques pour la résonance quartet (intrication de deux paires de Cooper scindées par double CAR) sont présentés. Un calcul unifié basé sur les fonctions d'onde solutions de l'équation de Bogoliubov - de Gennes a permis de calculer courant et bruit dans une jonction entre deux supraconducteurs qu'ils soient conventionnels ou topologiques. Dans une jonction entre deux supraconducteurs topologiques, des quasiparticules d'énergie nulle aux propriétés de Majorana peuvent exister et le calcul entrepris permet de dégager de nouvelles signatures pour la présence de ces excitations.
Dans cette thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés à la propagation de paires EPR* délocalisées et localisées, et à l'influence d'un supraconducteur sur le transport de ces paires. Après une introduction de cette étude, ainsi que du cadre scientifique qu'est l'informatique quantique dans lequel elle s'inscrit, nous allons dans le chapitre 1 faire un rappel sur le système constitué de deux points quantiques normaux entourés de deux fils supraconducteurs. Cela nous permettra d'introduire une méthode de calcul qui sera réutilisée par la suite, et de trouver également le courant Josephson produit par ce système transformé en SQUID-dc par l'ajout d'une jonction auxiliaire. Le SQUID permet de mesurer l'état de spin (singulet ou triplet), et peut être formé à partir d'autres systèmes que nous étudierons ensuite. Dans le chapitre 2, nous rappellerons l'étude détaillée d'un intricateur d'Andreev faite par un groupe de Bâle. La matrice T, permettant d'obtenir le courant dans les cas où les électrons sont séparés spatialement ou non, sera étudiée en détail afin d'en faire usage au chapitre suivant. Le chapitre 3 est consacré à l'étude de l'influence du bruit sur le fonctionnement de l'intricateur d'Andreev. Ce bruit modifie la forme du courant jusqu'à aboutir à d'autres conditions de fonctionnement de l'intricateur. En effet, le bruit présent sur les points quantiques peut perturber le transport des paires EPR par l'intermédiaire des degrés de liberté. Nous montrerons que, du fait de"l'intrication" entre la charge de la paire et le bruit, la paire est détruite pour des temps longs. Cependant, le résultat le plus important sera que le bruit perturbe plus le transport des paires délocalisées, qui implique une résonance de Breit-Wigner à deux particules. Le transport parasite n'implique pour sa part qu'une résonance de Breit-Wigner à une particule. Dans le chapitre 4, nous reviendrons au système constitué de deux points quantiques entourés de deux fils supraconducteurs, mais ici, les deux points quantiques seront aussi supraconducteurs. On obtiendra alors l'hamiltonien effectif de la même manière que précédemment ainsi que la forme du courant. Dans le cas où la tension entre les deux fils est nulle, nous ferons une comparaison avec l'expérience et nous verrons que les résultats obtenus sont plus en accord avec celle-ci si on fait l'hypothèse de la présence d'un bain, qui va modéliser le bruit sur l'un des fils. Enfin, dans le dernier chapitre, nous utiliserons à la fois un qubit de charge et un qubit de spin entourés par deux fils supraconducteurs. Nous pourrons alors mesurer l'influence du supraconducteur et voir s'il est possible de créer ici des paires d'électrons intriqués et d'aboutir à un pendule quantique. *Il existe des systèmes qui produisent des paires de particules éjectées simultanément dans des directions opposées et qui permettent de tester le paradoxe d' Einstein, Podolsky, Rosen. Chaque particule de la paire est dans un état indéterminé. Si on mesure les états respectifs des deux particules, on obtient systématiquement des résultats complémentaires, soit de façon aléatoire: 0-1 ou 1-0. La mécanique quantique explique que les deux particules ainsi produites constituent un seul système, une paire EPR.
La jonction Josephson à effet tunnel consiste en une fine barrière isolante insérée entre deux électrodes supraconductrices, où les paires de Cooper peuvent passer d'une électrode à l'autre avec une très faible probabilité de transmission. Cet élément sert de source commune et nécessaire de non-linéarité dans les circuits quantiques supraconducteurs, permettant la mise en œuvre de bits quantiques supraconducteurs (qubit) et de circuits amplificateurs supraconducteurs : deux éléments constitutifs de l'informatique quantique. La fabrication de ces jonctions ne permet aucun contrôle in-situ, leur comportement étant fixé par leur géométrie. Il est courant d'intégrer au moins deux jonctions dans une boucle supraconductrice pour former un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), dont la phase de la fonction d'onde macroscopique supraconductrice peut être modifiée par l'application d'un champ magnétique externe. Cela permet de récupérer un certain contrôle sur un degré de liberté quantique, en accordant l'énergie du SQUID en fonction de la phase. L'intégration d'un SQUID dans un qubit supraconducteur permet finalement d'accorder sa fréquence de transition. Au cours de la dernière décennie, de nouvelles architectures de circuits quantiques supraconducteurs sont apparues, où la jonction Josephson tunnel standard est remplacée par une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS). Cette jonction bénéficie des propriétés normales du matériau, qui peut être un semi-conducteur ou un semi-métal, et dont la densité d'états peut être contrôlée par l'application d'un champ électrique externe. Par conséquent, l'énergie d'une seule jonction peut être réglée sans dépendre d'un champ magnétique, une solution qui peut se heurter à des problèmes d'extensibilité. Actuellement, des qubits supraconducteurs avec un nanofil d'InAs, un gaz électronique 2D (2DEG) et du graphène (avec des temps de cohérence faibles) ont été démontrés.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation du graphène, un semi-métal de van der Waals 2D encapsulé dans du h-BN (pour le protéger de son environnement), en tant que jonction SNS accordable par une grille. La jonction Josephson en graphène est intégrée dans un qubit supraconducteur, où l'énergie de Fermi du graphène est contrôlée par l'utilisation d'une électrode de grille, sur laquelle une tension est appliquée. La grille a deux effets : elle modifie le nombre de canaux de conduction à l'intérieur du graphène, ainsi que leurs probabilités de transmission (ou transparences). Le temps de relaxation est mesuré entre 300 et 800 ns, soit un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art actuel en matière de qubits basés sur le graphène. Nous mesurons un grand contrôle de la fréquence de transition du qubit (plusieurs GHz). Surprenament, l'anharmonicité dépend fortement de la tension de grille avec de grandes oscillations dans le régime dopé p du graphène. Basée sur un modèle analytique de contact quantique supraconducteur, que nous avons résolu numériquement, notre analyse suggère que d'importantes fluctuations mésoscopiques de transparence se produisent dans nos dispositifs, avec des valeurs allant de 0,2 à 1, une indication d'une jonction Josephson en graphène de haute qualité. Le modèle, valable pour n'importe quel régime, démontre l'effet important de la transparence sur le spectre du qubit. La dispersion de charge (c'est-à-dire la sensibilité du qubit au bruit de charge) diminue également avec l'énergie Josephson, mais aussi avec la transparence. En particulier, en cas de transparence parfaite, la dispersion de charge devrait totalement disparaître, ce qui est hautement souhaitable pour des qubits plus résistants au bruit de charge. Nous démontrons que la dispersion de charge est effectivement plus petite que celle attendue pour un qubit supraconducteur basé sur une jonction tunnel fonctionnant dans le même régime, jusqu'à un facteur 2, avec une transparence déduite allant de 0,6 à 0,8.
Contrôle du contenu harmonique de la relation courant-phase dans des éléments Josephson à base de germanium Les dispositifs hybrides supraconducteur (S)-semi-conducteur (Sm) apportent de nouvelles fonctionnalités aux circuits supraconducteurs en introduisant des transistors à effet de champ Josephson (JoFET) : des jonctions Josephson avec un courant critique modulable par une grille. En particulier, des qubits hybrides protégé par parité et des diodes Josephson ont récemment été proposés et démontrés expérimentalement. Ces dispositifs tirent parti de la multi-harmonicité de la relation courant-phase (CPR) des jonctions S-Sm-S hautement transparentes, une propriété jusqu’ici sous-exploitée. Dans ce travail, nous rapportons une étude expérimentale de dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs (SQUIDs)intégrant des JoFETs fabriqués à partir d’une hétérostructure SiGe/Ge/SiGe, développée au CEA-Grenoble. Les CPRs des jonctions individuelles montrent plusieurs harmoniques avec des amplitudes modulables par grille. En présence d’irradiation micro-onde, l’apparition de marches de Shapiro entières et demientières confirme cette observation. Une combinaison de contrôle par flux magnétique et tension de grille permet de moduler le comportement du SQUID d’un régime de diode Josephson non réciproque avec une asymétrie de 27 % à un régime Josephson π-périodique. Dans un dispositif à double SQUID, nous parvenons à caractériser quantitativement un régime où la composante sin(2φ) représente plus de 95 % du supercourant total. Enfin, ce résultat est mis en perspective par la discussion de l’implementation d’un qubit supraconducteur cos(2φ) protégé par parité basé sur cette plateforme hybride Al-Ge/SiGe.