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
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
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
La radioastronomie millimetrique et submillimetrique est un domaine specifique, ou il est necessaire d'utiliser des recepteurs au bruit extremement faible. Le fait que les objets d'observation se trouvent sur un fond tres froid est a l'origine de ce besoin. Le prix eleve et la difficulte de construction des radiotelescopes doivent etre valorises par l'usage des recepteurs d'une sensibilite adequate. Au debut de notre travail sur l'amelioration de sensibilite des recepteurs a l'institut de radioastronomie millimetrique (iram), nous avons constate que le temps des observations sur nos 80-370 ghz radiotelescopes ete fortement rallonge par les recepteurs tandis que leur bruit ete superieur de 10 a 20 k. Ce travail presente notre etude des recepteurs heterodynes et a detection directe avec des jonctions supraconducteur-isolant-supraconducteur (sis) pour une application en radioastronomie. L'etude a ete concentree sur la modelisation et l'optimisation des melangeurs sis a la jonction en nb et nbn. Nous avons aussi etudie dans la bande submillimetrique, un recepteur a jonction supraconducter-isolant-conducteur normal-supraconducteur (sins) libre des courants de josephson. Le bruit d'un recepteur developpe lors de notre travail pour la premiere fois dans le domaine radio a atteint un niveau seulement trois fois superieure a la limite quantique. Le bruit minimum des recepteurs des bandes 0. 8 mm, 1. 3 mm, 2 mm, 3 mm se situe entre 19 et 22 k. Sur les 7 antennes de l'iram et du sest ses 20 nouveaux recepteurs sis ont ete equipes. Pour la premiere fois un recepteur sis faible bruit a ete developpe avec des jonctions en nbn
Pour preparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, les melangeurs utilisant des jonctions josephson supraconducteur / isolant / supraconducteur (sis) de type nbn/mgo/nbn ou nbn/a1n/nbn presentent un grand interet dans l'optique de la montee en frequence des instruments heterodynes. Ce memoire presente l'etude, la fabrication et la qualification de dispositifs a base de jonctions sis en nitrure de niobium. Ce travail comprend une partie de caracterisation electrique et structurale de films minces nbn obtenus par pulverisation cathodique reactive et qui aboutit a la determination de conditions optimales de depot. La fabrication de jonctions josephson nbn/mgo/nbn de petite surface (1 m 2) et de fortes densites de courant (>10 ka. Cm 2) est ensuite etudiee de facon a obtenir une technologie fiable et une bonne reproductibilite des parametres geometriques et electriques. Associe a la caracterisation i(v), un procede de traitement thermique permet le controle des densites de courant critique et l'amelioration de la qualite des dispositifs. La premiere qualification a 300 ghz de notre technologie donne une temperature de bruit de recepteur de 726 k ; mais au dela de ce resultat, la qualite des caracteristiques electriques de nos films nbn et des courbes i(v) statiques sont prometteuses pour des applications a des frequences proches du thz.
LE RECEPTEUR HETERODYNE SIS A OSCILLATEUR JOSEPHSON INTEGRE EMERGE EN TANT QUE NOUVEAU TYPE DE RECEPTEUR HETERODYNE A FAIBLE BRUIT DANS LE DOMAINE MILLIMETRIQUE ET SUBMILLIMETRIQUE (100 - 700 GHZ POUR LES JONCTIONS NB). LES TRAVAUX PRESENTES ICI SONT CONSACRES AUX ETUDES THEORIQUES ET A LA CONCEPTION D'UN RECEPTEUR SIS A OSCILLATEUR JOSEPHSON INTEGRE. DANS UNE PREMIERE PARTIE, PLUSIEURS ETUDES DU MELANGEUR A JONCTION SIS ONT ETE EFFECTUEES EN PRENANT POUR BASE LE MODELE 3-PORTS DE LA THEORIE QUANTIQUE DE MELANGE. ELLES COMPRENNENT DES SIMULATIONS DU MELANGEUR AVEC MULTI-JONCTIONS SIS EN PARALLELE ET METHODES DE CARACTERISATION DES RECEPTEURS SIS. LES SIMULATIONS CONFIRMENT QUE LE MELANGEUR, A MULTI-JONCTION EN PARALLELE, PRESENTE UNE BANDE PASSANTE PLUS LARGE QUE CELLE DETERMINEE PAR LA RESISTANCE NORMALE ET LA CAPACITE INTRINSEQUE. DANS UNE SECONDE PARTIE, UNE ANALYSE NUMERIQUE DE LA DYNAMIQUE DE JONCTION LONGUE JOSEPHSON A ETE FAITE. LES PARAMETRES CALCULES (LA LONGUEUR MINIMALE ET LA LONGUEUR DE PROJECTION OPTIMALE DE LA JONCTION LONGUE) ONT ETE UTILISES POUR LA CONCEPTION DU OSCILLATEUR A JONCTION LONGUE JOSEPHSON (FFO, FLUX-FLOW OSCILLATOR). CEPENDANT, DES QUESTIONS DE STABILITE, LA PUISSANCE RELATIVEMENT FAIBLE, ET LA LARGEUR DE LA RAIE DE SPECTRE RESTENT TOUJOURS A RESOUDRE. DANS UNE DERNIERE PARTIE, UN RECEPTEUR PROTOTYPE SIS A FFO INTEGRE A 460 GHZ A ETE CONCU. LE SIGNAL EST COUPLE VIA UNE ANTENNE HYBRIDE QUASI-OPTIQUE QUI SE COMPOSE D'UNE LENTILLE HEMISPHERIQUE ET D'UN DISQUE CYLINDRIQUE EN SILICE FONDUE SUIVIS PAR UNE ANTENNE DOUBLE-DIPOLE IMPRIMEE. EN APPLIQUANT UNE METHODE MIXTE UTILISANT L'OPTIQUE GEOMETRIQUE ET LA DIFFRACTION DE L'ANTENNE HYBRIDE, LES DIAGRAMMES DE RAYONNEMENT EN CHAMP LOINTAIN, L'EFFICACITE DE COUPLAGE, ET LA DIRECTIVITE SONT CALCULES. LA TEMPERATURE DE BRUIT CALCULEE DU MELANGEUR SIS EST ENVIRON DE 50 K DSB A 460 GHZ, EN TENANT COMPTE DU BRUIT QUANTIQUE ET DU BRUIT DE L'AMPLIFICATEUR FI. LE RECEPTEUR SIS A FFO INTEGRE POURRAIT ETRE UTILISE COMME ELEMENT DANS UN RESEAU FOCAL, PROCHAINE GENERATION DE RECEPTEUR RADIOASTRONOMIQUE D'IMAGERIE EN MILLIMETRIQUE ET SUBMILLIMETRIQUE.
Cette thèse se concentre sur l'étude des résonateurs optomécaniques intégrés dans le régime quantique. Ils constituent en effet une plateforme très prometteuse pour plusieurs applications quantiques telles que la détection quantique (exploitation des états non-classiques du mouvement pour augmenter la sensibilité), les mémoires quantiques (les résonateurs mécaniques ont démontré de très longues durées de vie) et les transducteurs quantiques (conversion de l'information quantique encodée dans les photons micro-ondes des qubits supraconducteurs en photons télécom par l'interaction avec un résonateur mécanique). Ce travail s'est concentré sur le développement d'un transducteur quantique électro-optomécanique intégré sur silicium sur isolateur (SOI) et compatible CMOS, et d'un montage optomécanique pour permettre son fonctionnement dans le régime quantique à l'avenir. En collaboration avec l'Institut Néel et le CEA LETI à Grenoble, nous avons donc conçu un cristal optomécanique (OMC) 1D suspendu, couplé mécaniquement à un cristal électromécanique (EMC) pour former des supermodes mécaniques dans la gamme de fréquence des GHz. Ces supermodes peuvent être adressés à la fois par une cavité optique (un mode de défaut optique confiné dans le OMC) et par un résonateur supraconducteur via le couplage capacitif assuré par le EMC. Néanmoins, pour réaliser des opérations quantiques avec un tel dispositif, il est nécessaire d'éviter l'ajout de photons provenant du bain thermique mécanique, et donc de préparer le résonateur mécanique dans son état fondamental de mouvement où l'occupation moyenne des phonons est proche de zéro. Nous avons donc mis au point un montage pour préparer comme preuve de concept un résonateur optomécanique, un disque optomécanique en arséniure de gallium (qui confine des modes de galerie optiques de haute qualité bien couplés à un mode de respiration radiale mécanique à haute fréquence autour de 1 GHz), dans son état de mouvement fondamental en le refroidissant à 10 mK à l'aide d'une réfrigération par dilution. Pour mesurer l'occupation moyenne des phonons, nous avons réalisé une thermométrie des bandes latérales par comptage de photons, qui implique deux lasers bleu et rouge désaccordés d'une fréquence mécanique par rapport à la résonance optique pour entraîner des interactions optomécaniques de type Raman. Les photons diffusés par le processus optomécanique à la résonance optique sont conservés et comptés sur un détecteur de photons uniques, et les photons pompes rejetés spectralement. Grâce à cette mesure, nous avons pu démontrer une occupation moyenne des phonons de nb=0,66+-0,20, confirmant la préparation de ce résonateur très proche de son état fondamental du mouvement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle géométrie de résonateurs optomécaniques intégrés à forte coopérativité quantique dans le silicium et l'arséniure de gallium, appelée « microgear ».
Le sujet de cette thèse est l'étude des effets électrodynamiques induits par les résonateurs quantiques sur les circuits supraconducteurs mésoscopiques. Nous développons en particulier une description théorique entièrement quantique des phénomènes de synchronisation qui se produisent dans les circuits quantiques composés de jonctions Josephson couplées à des lignes de transmission de taille finie. De plus, en utilisant des méthodes empruntées à l'optique quantique et à la recherche sur les atomes froids, nous étudions comment les fluctuations quantiques et thermiques affectent le comportement de ces circuits quantiques. Dans le premier chapitre, nous présentons des méthodes issues à la fois de la théorie de la matière condensée et de l'optique quantique qui sont utiles dans la QED des circuits et qui serviront de base à l'analyse du deuxième chapitre. Tout d'abord, nous dérivons des descriptions lagrangiennes mésoscopiques efficaces pour les condensateurs, les inductances et les jonctions Josephson à partir de modèles microscopiques. Nous discutons de la quantification canonique de certains circuits de base, à savoir l'oscillateur LC et la jonction Josephson libre. Nous nous intéressons ensuite au traitement classique des lignes de transmission, en analysant à la fois leurs représentations continues et leurs représentations par éléments concentrés. Nous discutons du théorème de Foster, qui permet une représentation efficace par éléments concentrés des réactances et admittances génériques. Nous traitons de manière approfondie la dérivation des modes propres électromagnétiques des lignes de transmission et procédons à leur quantification canonique. Nous discutons du couplage à une jonction Josephson et des différents choix de jauge pour cette interaction. Enfin, nous donnons une brève introduction à la représentation de l'espace de phase de la mécanique quantique dans les représentations de position-impulsion et d'état cohérent, en nous concentrant sur les schémas approximatifs qui nous permettent de traiter les fluctuations quantiques et thermiques dans les circuits quantiques. Dans le deuxième chapitre, nous étudions l'apparition des plateaux de Shapiro directes et doubles pour une jonction Josephson couplée à un résonateur à ligne de transmission de taille finie. Nous traitons ces deux problèmes à l'aide d'une approche QED des circuits avec un nombre important mais fini de modes photoniques. Pour le cas double, nous ne supposons pas la dualité (approximative) charge-phase et nous incluons la dynamique multibande complète pour la jonction Josephson. Les équations de mouvement du champ moyen dans notre approche hamiltonienne reproduisent les résultats de l'équation classique dissipative lorsque le nombre de modes de la ligne de transmission est suffisamment grand. Pour tenir compte des fluctuations quantiques et thermiques, nous allons au-delà du traitement du champ moyen en utilisant une approche Wigner tronquée. Il est démontré que les fluctuations quantiques et thermiques modifient à la fois les plateaux directes et doubles, et les paramètres physiques clés et les régimes contrôlant leur robustesse sont discutés. Le cadre développé dans cette thèse est un outil précieux pour les efforts expérimentaux visant à l'application métrologique des jonctions Josephson dans des environnements à haute impédance. En effet, notre approche permet de traiter ces systèmes sans recourir aux approximations habituelles et convient donc à des applications dans de nouveaux régimes et des environnements complexes. Nos travaux fournissent non seulement des outils théoriques pour comprendre la dynamique quantique des jonctions Josephson couplées à des environnements complexes, mais aussi des lignes directrices pratiques pour leur mise en œuvre dans les technologies quantiques, en particulier dans le contexte de la métrologie quantique.