Un spectromètre mésoscopique reposant sur l'effet Josephson Cette thèse décrit la réalisation d’un nouveau dispositif pour la physique mésoscopique : le spectromètre Josephson. Il est composé de deux jonctions Josephson et repose sur l’effet Josephson pour convertir une tension continue en oscillations micro-ondes de fréquence pouvant atteindre 180 GHz. L’absorption de ces photons est directement mesurée sur la caractéristique courant-tension du spectromètre.Le spectromètre est soigneusement dessiné pour éviter qu’il n’excite des modes électromagnétiques parasites et pour optimiser le couplage au système d’intérêt.Le spectromètre Josephson est utilisé pour mesurer le spectre de quatre systèmes simples dans une large gamme de fréquences : un mode de résonateur LC autour de 150 GHz, l’excitation de quasiparticules dans un supraconducteur au-dessus de 90 GHz, la fréquence plasma d’une jonction Josephson autour de 15 GHz et la fréquence plasma d’un RF-SQUID autour de 80 GHz.Finalement, quelques systèmes plus complexes et stimulants pouvant être sondés avec le spectromètre sont présentés, ainsi que quelques améliorations à apporter à la version actuelle du spectromètre.
Un spectromètre mésoscopique reposant sur l'effet Josephson Cette thèse décrit la réalisation d’un nouveau dispositif pour la physique mésoscopique : le spectromètre Josephson. Il est composé de deux jonctions Josephson et repose sur l’effet Josephson pour convertir une tension continue en oscillations micro-ondes de fréquence pouvant atteindre 180 GHz. L’absorption de ces photons est directement mesurée sur la caractéristique courant-tension du spectromètre.Le spectromètre est soigneusement dessiné pour éviter qu’il n’excite des modes électromagnétiques parasites et pour optimiser le couplage au système d’intérêt.Le spectromètre Josephson est utilisé pour mesurer le spectre de quatre systèmes simples dans une large gamme de fréquences : un mode de résonateur LC autour de 150 GHz, l’excitation de quasiparticules dans un supraconducteur au-dessus de 90 GHz, la fréquence plasma d’une jonction Josephson autour de 15 GHz et la fréquence plasma d’un RF-SQUID autour de 80 GHz.Finalement, quelques systèmes plus complexes et stimulants pouvant être sondés avec le spectromètre sont présentés, ainsi que quelques améliorations à apporter à la version actuelle du spectromètre.
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.
La photonique Josephson est un domaine recent de la physique a la croisee entre l'electrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et etudie la possibilite pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisee en tension par effet tunnel inelastique, en dissipant la difference de potentiel electrique aux bornes de la jonction sous forme de photons emis dans l'environnement electromagnetique de la jonction.
Cette these s'arrete sur deux aspects de la photonique Josephson:
La possibilite de controler la statistique des photons emis dans l'environnement, en particulier Generer des photons non-classiques;
La possibilite de stimuler l'emission de photons, ce qui permet d'Amplifier avec un bruit ajoute a la limite quantique.
Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu'une simple tension continue servant a polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplacant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles a utiliser.
Nous avons etudie nos dispositifs avec deux theories, la theorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caracteristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d'emission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs experimentaux mesures sont realises en nitrure de niobium en creant un environnement electromagnetique repondant a nos besoins. La possibilite de controler les processus photoniques que l'on veut en realisant l'environnement electromagnetique adapte laisse la porte ouverte a de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, detecteurs de photons.
La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.
Photonique Josephson : génération & amplification micro-ondes en régime quantique La photonique Josephson est un domaine récent de la physique à la croisée entre l’électrodynamique quantique en circuit et le blocage de Coulomb dynamique. Elle explique et étudie la possibilité pour une paire de Cooper de traverser une jonction Josephson polarisée en tension par effet tunnel inélastique, en dissipant la différence de potentiel électrique aux bornes de la jonction sous forme de photons émis dans l’environnement électromagnétique de la jonction.Cette thèse s’arrête sur deux aspects de la photonique Josephson:• La possibilité de contrôler la statistique des photons émis dans l’environnement, en particulier Générer des photons non-classiques;• La possibilité de stimuler l’émission de photons, ce qui permet d’Amplifier avec un bruit ajouté à la limite quantique.Pour fonctionner ces dispositifs ne demandent qu’une simple tension continue servant à polariser la jonction Josephson. A terme ces dispositifs pourraient simplifier certaines mesures quantiques en remplaçant avantageusement des dispositifs micro-ondes existants plus difficiles à utiliser.Nous avons étudié nos dispositifs avec deux théories, la théorie P(E) et celle liant les flux de photons entrant et sortant, pour en tirer les caractéristiques de fonctionnement de nos dispositifs : taux d’émission, gain, bruit, bande passante, point de compression. Les dispositifs expérimentaux mesurés sont réalisés en nitrure de niobium en créant un environnement électromagnétique répondant à nos besoins. La possibilité de contrôler les processus photoniques que l’on veut en réalisant l’environnement électromagnétique adapté laisse la porte ouverte à de futures dispositifs : divers sources non-classiques, amplificateurs large bande, détecteurs de photons.
Résonance magnétique avec des champs micro-ondes quantiques Dans une expérience classique de résonance paramagnétique électronique (RPE), le couplage entre les spins et leur environnement électromagnétique est faible, limitant considérablement la sensibilité de la mesure. Grâce à l’utilisation combinée d'un amplificateur paramétrique Josephson et de micro-résonateurs supraconductuers de hauts facteurs de qualité refroidis à quelques millikelvins, ce travail rapporte la conception et la mise en œuvre d’un spectromètre RPE dont la sensibilité de détection est limitée par les fluctuations quantiques du champ électromagnétique au lieu d’un bruit d’origine thermique ou technique. Des mesures de RPE pulsée sur un ensemble de doneurs Bismuth dans le silicium permettent de démontrer une sensibilité de 1700 spins détectés par écho de Hahn avec un signal-sur-bruit unitaire. La sensibilité est encore améliorée en générant un état de vide comprimé dans le guide d'onde de détection, ce qui réduit les fluctuations quantiques au-delà de la limite quantique. Les hauts facteurs de qualité et le petit volume de mode du résonateur supraconducteur développés pour une sensibilité accrue accroit également le couplage spin-résonateur jusqu'au point où les fluctuations quantiques ont un effet dramatique sur la dynamique des spins. En effet, l’émission spontanée de photons dans le résonateur micro-onde est considérablement renforcée par l'effet Purcell, ce qui en fait le mécanisme de relaxation de spin dominant. Le taux de relaxation est augmenté de trois ordres de grandeur lorsque les spins sont accordés à résonance, démontrant que la relaxation de spin peut-être contrôlée sur demande. Nos résultats fournissent une méthode nouvelle et universelle pour initialiser des systèmes de spin dans leur état fondamental, avec des applications en résonance magnétique et en information quantique.
Improving high-Tc Josephson devices : higher reproducibility and a new pathway to tunability La nanostructuration des matériaux supraconducteurs permet la fabrication de jonctions Josephson, briques de base pour des dispositifs basés sur l'interférence quantique pour l'électronique et le traitement de signaux, tels que les SQIF (Superconducting Quantum Interference Filters) qui sont des réseaux de jonctions Josephson. Une jonction Josephson est formée par deux électrodes supraconductrices séparées par une fine barrière non supraconductrice. Les dispositifs à base de jonctions Josephson exploitent alors leur sensibilité à la différence de phase entre les fonctions d'ondes supraconductrices des deux électrodes. La différence de phase étant modulable par des stimuli externes, notamment des champs magnétiques, il est possible d'utiliser de tels dispositifs comme des détecteurs de signaux électromagnétiques, opérant du continu jusqu'au domaine radiofréquence.La plupart des dispositifs à base de jonctions Josephson utilisés aujourd'hui sont réalisés à partir de matériaux ayant une basse température critique. Les dispositifs opèrent alors à des températures proches du zéro absolu, nécessitant des moyens encombrants et énergivores, limitant ainsi leurs utilisations à des domaines très spécifiques.Cette thèse se concentre alors en particulier sur la réalisation de jonctions Josephson et de SQIF à base d'un matériau à haute température critique, le YBa2Cu3O7-x (YBCO). Ce matériau, de la famille des cuprates, présente un intérêt particulier à plusieurs égards. Sa haute température critique (90K) permet une réduction significative de la consommation énergétique et de l'encombrement nécessaires au fonctionnement des dispositifs qui en sont issus. En outre, la haute sensibilité de l'YBCO à sa stœchiométrie en oxygène et à sa cristallographie permet de l'exploiter, via des procédés de nanostructuration, pour la fabrication de jonctions.L'objectif principal de cette thèse vise en particulier le développement de dispositifs de jonctions Josephson et de SQIF en nanostructurant l'YBCO grâce à la technique d'irradiation ionique. Cette technique implique le bombardement, par un faisceau d'ions, de dispositifs recouverts d'un masque de résine, préalablement lithographiée pour ouvrir de très fines fentes. Il est montré que l'homogénéité des jonctions Josephson est cruciale pour les performances d'un SQIF. Des modifications des procédés existants sont donc amenées pour permettre d'améliorer cette homogénéité.Dans ce cadre, une première partie de cette thèse étudie l'impact d'une couche métallique additionnelle sur la résine avant l'irradiation. Une meilleure uniformité des paramètres clés des jonctions Josephson est montrée, révélant le rôle important de l'évacuation des charges dans le procédé de fabrication. Une seconde modification du procédé est alors étudiée, pour améliorer davantage l'évacuation de charges, principalement au moment de la lithographie de la résine. La seconde partie de cette thèse évalue le potentiel d'ajout d'une étape de recuit post-fabrication. Il a été démontré en effet que les propriétés des jonctions Josephson sont modifiées lorsque ces dernières sont recuites. On montre alors que sous certaines conditions, un recuit améliore globalement les performances des jonctions Josephson, et permet d'homogénéiser une série de jonctions.Enfin, une troisième partie de cette thèse met à profit la sensibilité de l'YBCO à son contenu en oxygène. Plus exploratoire, cette partie vise à créer une jonction Josephson exploitant une réaction redox créée par l'ajout d'un métal au niveau d'une fine région sur l'YBCO. En s'oxydant, le métal pompe des ions oxygènes présents dans l'YBCO, qui est alors réduit et dont les propriétés sont altérées. On montre qu'un effet Josephson est présent dans ces jonctions. Ces nouvelles jonctions « redox » offrent des perspectives prometteuses pour la réalisation de jonctions Josephson accordables, dont l'état pourrait être modulé par des stimuli extérieurs par l'ajout d'une gate électrique.