Dans cet article, nous présentons les MKIDs, pour « Microwave Kinetic Inductance Detectors », une nouvelle technologie de détecteur supraconducteur ultrasensible capable de détecter le photon et permettant de couvrir un large spectre électromagnétique allant des ondes millimétriques-submillimétriques aux rayons gamma, en passant par l’optique.
Dans cet article, nous présentons les MKIDs, pour « Microwave Kinetic Inductance Detectors », une nouvelle technologie de détecteur supraconducteur ultrasensible capable de détecter le photon et permettant de couvrir un large spectre électromagnétique allant des ondes millimétriques-submillimétriques aux rayons gamma, en passant par l’optique.
Un détecteur à haute inductance cinétique de photon micro-onde Les détecteurs de photons uniques aux fréquences visibles sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de la technologie quantique, tels que la distribution de clés quantiques ou l'optique quantique. Cependant, la réalisation de détecteurs de photons uniques micro-ondes continus et hautement efficaces reste un défi. Dans cette thèse, nous proposons et mettons en œuvre un détecteur de photons micro-ondes basé sur une jonction tunnel supraconductrice couplée à une cavité micro-ondes. Les photons incidents à la fréquence du résonateur sont absorbés par la jonction via un effet tunnel inélastique de quasiparticules, ce qui entraîne un courant tunnel photo-assisté mesurable. Pour augmenter le taux d'effet tunnel inélastique, le résonateur est fabriqué en aluminium granulaire, ce qui conduit à une impédance caractéristique du mode de l'ordre du quantum de résistance. En mesurant le courant dû aux processus d'ordre supérieur, nous calibrons le détecteur et estimons l'efficacité quantique à 0,83, un ordre de grandeur plus élevé que celui rapporté dans la littérature pour les détecteurs basés sur l'effet tunnel photo-assisté. En plus du courant photo-assisté, la puissance émise par l'échantillon est mesurée, et il est démontré que le même dispositif peut être utilisé pour refroidir efficacement un circuit supraconducteur. Nous discutons de la compatibilité du détecteur de photons mis en œuvre avec les techniques de comptage de charge nécessaires pour discerner les électrons individuels, tels que les RF-SET. Nous réalisons un RF-SET à l'aide d'un résonateur granulaire en aluminium à haute impédance, et nous montrons une forte absorption de photons pour des tensions de polarisation et de grille appropriées. En outre, nous mesurons la sensibilité à la charge de ce dispositif à un niveau aussi bas que 5e-5 e/sqrt(Hz). Ainsi, les expériences de ce travail montrent que la combinaison d'un transistor radiofréquence à électron unique avec un convertisseur photon-électron à haute efficacité basé sur l'effet tunnel inélastique pourrait conduire à un compteur de photons micro-ondes unique pratique.
Les détecteurs de photons uniques aux fréquences visibles sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de la technologie quantique, tels que la distribution de clés quantiques ou l'optique quantique. Cependant, la réalisation de détecteurs de photons uniques micro-ondes continus et hautement efficaces reste un défi. Dans cette thèse, nous proposons et mettons en œuvre un détecteur de photons micro-ondes basé sur une jonction tunnel supraconductrice couplée à une cavité micro-ondes. Les photons incidents à la fréquence du résonateur sont absorbés par la jonction via un effet tunnel inélastique de quasiparticules, ce qui entraîne un courant tunnel photo-assisté mesurable. Pour augmenter le taux d'effet tunnel inélastique, le résonateur est fabriqué en aluminium granulaire, ce qui conduit à une impédance caractéristique du mode de l'ordre du quantum de résistance. En mesurant le courant dû aux processus d'ordre supérieur, nous calibrons le détecteur et estimons l'efficacité quantique à 0,83, un ordre de grandeur plus élevé que celui rapporté dans la littérature pour les détecteurs basés sur l'effet tunnel photo-assisté. En plus du courant photo-assisté, la puissance émise par l'échantillon est mesurée, et il est démontré que le même dispositif peut être utilisé pour refroidir efficacement un circuit supraconducteur. Nous discutons de la compatibilité du détecteur de photons mis en œuvre avec les techniques de comptage de charge nécessaires pour discerner les électrons individuels, tels que les RF-SET. Nous réalisons un RF-SET à l'aide d'un résonateur granulaire en aluminium à haute impédance, et nous montrons une forte absorption de photons pour des tensions de polarisation et de grille appropriées. En outre, nous mesurons la sensibilité à la charge de ce dispositif à un niveau aussi bas que 5e-5 e/sqrt(Hz). Ainsi, les expériences de ce travail montrent que la combinaison d'un transistor radiofréquence à électron unique avec un convertisseur photon-électron à haute efficacité basé sur l'effet tunnel inélastique pourrait conduire à un compteur de photons micro-ondes unique pratique.
Modélisation de la chaîne de lecture et optimisation du traitement numérique du signal sur FPGA pour les détecteurs supraconducteurs à inductance cinétique Les MKIDs (Microwave Kinetic Inductance Detectors) sont des détecteurs micro-ondes supraconducteurs à inductance cinétique, utilisés pour la détection des ondes millimétriques.Ces détecteurs, organisés en matrice, sont des résonateurs RF qui fonctionnent à des températures cryogéniques (~100mK), dont la fréquence de résonance, dans une gamme de fréquence comprise entre 1,3 GHz et 2.5 GHz, est sensible, entre autres, aux photons millimétriques.Pour effectuer la lecture de chaque pixel, les MKIDs sont couplés à une ligne de transmission. Il faut alors utiliser des techniques de multiplexage fréquentiel afin d’en sonder un maximum possible de MKIDs sur une même ligne. En effet, chaque MKID possède sa propre fréquence de résonance, avec un très haut facteur de qualité, ce qui permet d’en mettre un très grand nombre (plusieurs centaines) en série sur une même ligne de transmission.Au LPSC, des électroniques de lecture spécifiques ont été développées, combinant des techniques de traitement du signal numérique avec du conditionnement radio-fréquence. La dernière génération de l’instrument CONCERTO intègre une carte électronique appelée KID_READOUT, capable de lire les 400 pixels répartis sur une bande passante de 1 GHz. Le traitement du signal, fortement parallélisé et pipeliné est effectué en temps réel, imposé par l’expérience, à l’aide de FPGA.L’objectif de cette thèse est de modéliser la chaîne de lecture KID_READOUT afin de comprendre ses limitations et d’identifier des pistes d’optimisation. Le travail mené a permis d’identifier les principales contraintes de la partie analogique, et d’optimiser les ressources numériques, sans dégrader les performances de lecture du signal. Nous avons ainsi réduit l'utilisation des ressources FPGA de 23,07%pt pour les tables LUT, 19,86%pt pour les registres FF, et 28,98%pt pour les blocs DSP. Ces optimisations permettent désormais de lire jusqu'à 800 MKIDs sur une seule ligne de transmission avec le même FPGA, répondant ainsi aux besoins des prochaines générations d’instruments MKID.
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
Cet article traite de la réception d’ondes électromagnétiques radiofréquence et micro-ondes par des détecteurs vectoriels de champ magnétique ultra-sensibles et compacts, les réseaux de jonctions Josephson. Il est surtout fait mention de matériaux supraconducteurs à haute température critique, eu égard à leur mise en œuvre. Les performances affichées sont très attractives sur le plan de la dynamique et de la sensibilité. Les levées de verrous identifiées permettront vraisemblablement d’élargir le champ des applications : il s’agit de la réduction de la dispersion des caractéristiques électroniques des jonctions Josephson et du choix de l’architecture des réseaux bidimensionnels.
L’astrophysique du milieu interstellaire a beneficie depuis peu de la mise au point de recepteurs heterodynes peu bruyants approchant la limite quantique permettant d'observer dans le domaine millimetrique les raies de nombreuses molecules. Le melange quantique est rendu possible par l'utilisation de jonctions sis (supraconducteur-isolant-supraconducteur) fortement non lineaires. Mais l'extension de cette technologie aux longueurs d'onde submillimetriques souleve des problemes et impose : d'employer des supraconducteurs a grand gap ; de reduire la capacite des jonctions, ce qui implique la fabrication de jonctions de taille submicronique et de forte densite de courant critique ; de realiser des guides d'onde ou des structures d'accord mecanique de tres petites dimensions ; des circuits d'accord integres a la jonction qui soient non dispersifs a ces frequences. Un recepteur sis a 630 ghz en guides d'onde, utilisant des jonctions au Nb et au NbN vient d'etre construit et teste en vue de son installation au Caltech Submillimeter Observatory a Hawai. Nous avons egalement etudie experimentalement les jonctions Josephson longues, dans lesquelles des quanta de flux magnetique peuvent se propager de maniere resonnante : de tels oscillateurs a fluxons pourraient jouer le role d'oscillateur local au sein de recepteurs heterodynes monolithiques