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.
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.
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.
Les circuits à base de jonctions Josephson comme les filtres à interférences quantiques, nommés SQIF (Superconducting Quantum Interference Filter), sont des capteurs très sensibles au champ magnétique. Les éléments de base d’un tel circuit sont les SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Aussi performants dans la détection de champ magnétique, ces derniers ne permettent pas de réaliser des mesures absolues. De plus, la nécessité d’un asservissement par une boucle à verrouillage de flux limite la bande de fréquence d’utilisation. Les SQIF n’ont pas cette limitation et permettent les mesures absolues de champ magnétique. Leur capacité à combiner une taille compacte, une très bonne sensibilité et une large bande fréquentielle d’utilisation fait de ces capteurs des sérieux concurrents aux antennes classiques. Des mesures expérimentales avec des SQIF HTS faits par la technologie de jonctions irradiées montrent qu’il est possible de réaliser la détection de signaux radiofréquence jusqu’au moins 5 GHz en configuration de champ proche et en environnement non magnétiquement blindé. Afin de réaliser l’adaptation d’impédance et améliorer les caractéristiques DC de ces capteurs, différentes géométries de réseau sont étudiées. L’étude permet de définir les paramètres d’importance dans la conception de circuits SQIF afin de réaliser des détecteurs radiofréquence performants.
Anharmonicité et contrôle en grille d'un circuit quantique supraconducteur à base de graphène 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.
Mélangeurs Josephson à haute température critique pour la détection térahertz Cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation d'un mélangeur hétérodyne, à partir d'YBa2Cu3O7, un matériau supraconducteur à haute température critique. Nous avons évalué son potentiel pour la détection d'ondes térahertz. La physique complexe des jonctions irradiées a été correctement décrite en modifiant légèrement les équations quasi-classiques d'Usadel, originellement développées pour les supraconducteurs inhomogènes à basse température critique. Les mesures de transport électronique ont montré que nos dispositifs respectent le modèle de la jonction résistivement shuntée. Nous avons expliqué leur fonctionnement à haute fréquence au moyen du modèle à trois ports, et démontré la détection d'ondes jusqu'à 400 GHz. Nous avons identifié l'efficacité de conversion du mélange hétérodyne comme le produit de trois termes : deux rendent compte des adaptations d'impédances en entrée et sortie du mélangeur, le troisième caractérise la conversion à basse fréquence des signaux térahertz. La puissance de l'oscillateur local nécessaire, l'étendue dynamique du mélangeur ainsi que son efficacité de conversion ont été mesurées, s'accordant bien avec les simulations numériques. Le recours à un réseau de jonctions Josephson synchronisées est incontournable pour parvenir à créer un oscillateur local puissant et spectralement fin à partir de l'oscillation propre des jonctions. Nous avons identifié le verrouillage par une boucle externe comme l'unique mécanisme efficace de synchronisation et simulé son effet. Enfin nous avons mesuré la première signature d'une synchronisation dans un réseau à deux dimensions de jonctions irradiées.
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.
Ce mémoire se concentre sur la fabrication de jonctions tunnel Josephson (JJ) en Al/AlOx/Al en utilisant la méthode de fabrication Manhattan. Les JJs sont des composantes essentielles des circuits supraconducteurs quantiques, notamment des qubits supraconducteurs et des amplificateurs paramétriques. Ces dispositifs sont au cœur des recherches actuelles en informatique quantique, ce qui souligne l'importance d'obtenir des procédés de fabrication reproductibles à grande échelle. L’objectif principal de ce projet a été de développer un procédé de fabrication fiable et reproductible pour des JJs en aluminium sur des tranches de 200 mm. Le projet a permis la mise en place d’un procédé de fabrication de base de JJ en Al/AlOx/Al utilisant la lithographie électronique au sein des installations de l’Institut Interdisciplinaire d’Innovation Technologique (3IT). Des étapes critiques telles que la déposition de l’aluminium, l’oxydation contrôlée pour former la barrière tunnel et le soulèvement ont été mises en place afin d’assurer la stabilité des jonctions. En parallèle, des outils de caractérisation des dispositifs ont été développés pour évaluer les performances électriques à la fois à température ambiante et en conditions cryogéniques des dispositifs, ainsi que pour mesurer les dimensions physiques des jonctions avec précision. Un effort significatif a été réalisé pour automatiser les outils de caractérisation. Cela a permis d'accélérer la caractérisation, ce qui est nécessaire pour de si gros échantillons, et de fiabiliser les résultats obtenus. Les résultats expérimentaux ont révélé des variations significatives de reproductibilité entre les tranches et d’uniformité sur une même tranche, principalement liées aux variations des dimensions des JJs. Ces variations ont un impact direct sur les caractéristiques électriques des JJs, notamment leur résistance et leur énergie de couplage. Des efforts ont été concentrés sur l’amélioration de l’uniformité des dimensions des dispositifs en travaillant sur les paramètres de la lithographie. Pour ce faire, une série de calculs analytiques ont été mis en place pour lier les variations de dimensions des JJs avec la lithographie et le dépôt de l’aluminium. En conclusion, ce projet a établi une base solide pour la fabrication de JJs en Al/AlOx/Al sur des tranches de grandes dimensions. Cependant, des travaux futurs seront nécessaires pour affiner les procédés de fabrication et garantir une meilleure uniformité des dispositifs à l’échelle industrielle. Ces améliorations seront cruciales pour répondre aux exigences de performance des dispositifs quantiques de prochaine génération.