Dynamical effects in superconducting/Normal metal/superconducting long Josephson junctions

par Francesca Chiodi

Thèse de doctorat en Chimie. Chimie - Physique

Sous la direction de Hélène Bouchiat et de Bertrand Reulet.

Soutenue en 2010

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

  • Titre traduit

    Effets dynamiques dans des jonctions Josephson longues supraconducteur/ Métal normal/ supraconducteur


  • Résumé

    Nous avons étudié la dynamique d’un long fil normal cohérent (N) placé entre deux supraconducteurs (S) en observant sa réponse dc et ac à une excitation micro-ondes. Nous avons d’abord mesuré le courant critique (Ic) et de repiègeage (Ir) déduits de la caractéristique dc tension-courant. En variant la fréquence de l’excitation entre 10 MHz et 40 GHz, nous avons observé que Ic augmente quand la fréquence dépasse le taux de diffusion dans la partie normale, tandis que Ir est fortement modifié quand l’excitation est plus rapide que le taux électron-phonon. Le courant critique et de repiègeage sont donc associés respectivement à la diffusion élastique et inélastique. Ensuite, nous avons couplé inductivement un anneau NS à un résonateur multimodal. Nous avons ainsi mesuré la réponse dynamique du supercourant à une excitation haute fréquence de la phase. Nous avons observé la réponse en phase (χ’) et hors-phase (χ’’) dans le régime linéaire. À haute température, la réponse attendue à basse fréquence est en-phase et sinusoïdale avec la phase. À haute fréquence, nous avons observé une réponse fortement anharmonique avec une importante composante hors-phase. Les amplitudes de χ’ et χ’’ relaxent en fréquence selon une loi de Debye, caractérisée par un temps, indépendant de la température, de l’ordre du temps de diffusion. Nous avons reproduit théoriquement l’amplitude et la dépendance en phase de χ’ et χ’’ en supposant que les populations des niveaux d’énergie dans N sont gelées pour des fréquences au dessus du taux de diffusion inélastique. Le temps fini de diffusion à travers N pourrait expliquer la dépendance en fréquence de χ’ et χ’’.


  • Résumé

    We have studied the dynamics of a long, phase coherent, normal wire (N) placed between two superconductors (S) by observing its dc and ac response to a microwave excitation. First, we have measured the critical (Ic) and retrapping (Ir) currents, deduced from the dc voltage-current characteristic. By varying the excitation frequency in the range 10 MHz – 40 GHz, we have observed that Ic increases when the ac frequency is larger than the diffusion rate in the normal metal, whereas Ir is strongly modified when the excitation is faster than the electron-phonon rate. Therefore, the critical and retrapping currents are respectively associated with elastic and inelastic scattering. Then, we have inductively coupled an NS ring to a multimode resonator. We have thus accessed the dynamical response of the supercurrent to a high frequency phase excitation. We have measured the in-phase (χ’) and out-of-phase (χ’’) responses in the linear regime. At high temperature, the response expected at low frequency is completely in-phase and sinusoidal with the phase. At high frequency, we observed a highly anharmonic response, with an important out-of-phase contribution. The χ’ and χ’’ amplitudes relax in frequency following a Debye law, characterised by a temperature independent time of the order of the diffusion time. We have successfully reproduced the amplitude and phase dependence of χ’ and χ’’ assuming that the populations of the energy levels in N are frozen for frequencies above the inelastic diffusion rate. The finite diffusion time across the N wire could explain the frequency dependence of the response.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (4-XXII-180 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 177-180

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Paris-Saclay (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2010)79
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