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.
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.
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.
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.
Les circuits supraconducteurs sont des systèmes quantiques artificiels dont les propriétés peuvent être choisies pour répondre aux exigences de chaque application spécifique. Un circuit supraconducteur typique est conçu pour avoir une transition suffisamment anharmonique pour être utilisée comme un qubit, qui peut être facilement manipulé et lu grâce à son interaction forte (dipolaire) avec le champ électromagnétique. Un fort moment dipolaire fort est particulièrement intéressant en vue d'interfacer le circuit supraconducteur avec d'autres systèmes quantiques. Par exemple, la fluorescence de spins électroniques individuels a été détectée avec succès en utilisant un détecteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur, opérant dans la bande des 5-10 GHz. Dans le domaine de l'acousto-dynamique sur circuit (cQAD), le couplage entre un qubit et un résonateur piézoélectrique est utilisé pour détecter et manipuler l'état phononique, typiquement dans la plage 2-10 GHz. Cependant, adapter ces schémas de détection à des fréquences inférieures, en dessous de la fréquence de fonctionnement conventionnelle des qubits supraconducteurs, s'accompagne de nouveaux défis. D'abord, les qubits supraconducteurs sont lus grâce à l'intéraction dispersive avec un résonateur supraconducteur auxiliaire. Le couplage dispersif diminuant rapidement lorsque le désaccord dépasse l'anharmonicité du qubit, les qubits faiblement anharmoniques, tels que les transmons, nécessitent des résonateurs presque résonants dont les dimensions évoluent inversement avec la fréquence (par exemple, une cavité coplanaire λ/2 de 1 MHz nécessite un guide d'onde de 100 m de long). Deuxièmement, les systèmes à basse fréquence sont couplés à un bain thermique chaud avec lequel ils échangent des photons de manière aléatoire, transformant rapidement les états quantiques purs en mélanges statistiques. Le qubit fluxonium, composé d'une jonction Josephson court-circuitée simultanément par une grande inductance et une capacité, présente des opportunités uniques dans le domaine des qubits supraconducteurs à basse fréquence. Dans ce travail, nous démontrons un fluxonium lourd avec une fréquence de transition exceptionnellement basse de 1.8 MHz, tout en maintenant la capacité de manipuler et de lire le qubit en utilisant des techniques micro-ondes standard. Cela est rendu possible par le spectre d'énergie hautement non linéaire du fluxonium, où la première transition se produit dans la plage des MHz tandis que les transitions vers des états excités supérieurs sont dans la plage 3-10 GHz. Nous démontrons avec succès le refroidissement par bande latérale résolue du fluxonium, réduisant sa température effective à 23 μK et atteignant une population de l'état fondamental de 97,7%. Nos expériences révèlent en outre les capacités de manipulation cohérente du qubit, avec des temps de cohérence de T1 = 34 μs et T2* = 39 μs, accompagnés d'une lecture d'état projective.Nous démontrons en outre la sensibilité accrue du qubit aux champs de radiofréquence, obtenue par interaction directe avec un guide d'onde couplé capacitivement. En employant un protocole de préparation et de mesure cyclique, nous transformons le fluxonium en un capteur de charge résolu en fréquence précis, affichant une sensibilité de charge de 33 μe/√Hz. Cela se traduit par une sensibilité énergétique de 2.8ℏ par hertz, rivalisant avec les capteurs basés sur le transport, tout en restant intrinsèquement immunisé aux offsets de charge DC. La grande capacité de l'électrode ce notre capteur de charge basé sur le fluxonium (~50 fF) est très bénéfique dans les applications réelles de détection de charge, où la sensibilité est diluée lorsque la capacité propre du système sondé dépasse celle du capteur. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles investigations expérimentales sur les phénomènes quantiques dans la plage de 1 à 10 MHz, y compris le régime de couplage fort avec des résonateurs mécaniques macroscopiques.
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.
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.