Nano-refroidissement électronique et couplages thermiques dans les circuits hybrides supraconducteurs

Electronic refrigeration and thermal couplings in supraconductor hybrid devices

• Auteur / Autrice : Laëtitia Pascal
• Direction : Hervé Courtois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 30/03/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Wiebke Guichard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Courtois, Clemens Winkelmann, Francesco Giazotto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Helene Bouchiat, Hugues Pothier

Mots clés

Mots clés libres

Supraconductivité

Physique mesoscopique

Réfrigération électronique

Couplages thermiques

Supraconductivity

Mesoscopic physic

Electronic refrigeration

Thermal coupling

Résumé

Le refroidissement électronique de jonctions tunnel Supraconducteur - Isolant - métal Normal (S-I-N) a lieu grâce la bande d'énergie interdite du supraconducteur, qui agit tel un filtre laissant passer les électrons les plus énergétiques par effet tunnel. Cependant, l'efficacité de tels refrigérateurs électroniques est habituellement plus faible que les prédictions théoriques. Après l'introduction des équations basiques décrivant le refroidissement électronique dans une jonction tunnel, nous présentons les différentes limitations fondamentales, parmi elles les couplages thermiques entre bains thermiques d'électrons ou de phonons et la relaxation des quasi-particules. Afin d'avoir une meilleure compréhension des différents couplages thermiques en jeu, nous avons mis au point une expérience permettant de mesurer indépendamment la température des électrons et des phonons. Un réfrigérateur hors équilibre est ainsi étudié dans les régimes de refroidissement et de chauffage. Les résultats sont interprétés en utilisant un modèle thermique qui tient compte des transferts de chaleur entre électrons, phonons et photons. En particuliers, le canal photonique de chaleur lié au bruit thermique dans les résistances du circuit apporte une contribution de chaleur supplémentaire dépendant de la transmission du circuit de couplage. Enfin nous nous sommes intéressées à l'amélioration du refroidissement électronique sous champ magnétique, facilitant la relaxation des quasi-particules dans le supraconducteur. Enfin nous avons développer un procédé de fabrication permettant d'obtenir de large jonctions S-I-N-I-S avec un ilôt métallique suspendu totalement découplé du substrat.

Electronic cooling in Superconductor - Insulator - Normal metal (S-I-N) junction is based on the energy selectivity of electron tunneling induced by the superconductor energy gap. Nevertheless, the efficiency of coolers based on such junctions is usually significantly less than theoretically expected. After introducing the principle of superconducting micro-coolers, we present the fundamental limitations to electronic cooling. We focus on the different thermal couplings between electron and phonon thermal baths and the relaxation of hot quasi-particles deposited in the superconductor. We have designed an experiment to monitor independently electron and phonon temperatures. An electronic cooler was studied under out-of-equilibrium conditions, in both the cooling and the heating regimes. The results are interpreted using a thermal model, which takes into account the heat transfers between the electron, phonon and photon baths. In particular, the photonic heat flow related to the thermal noise arising in the circuit resistors can bring an additional heat contribution, depending on the transmission of the biasing circuit. Moreover, we investigate the enhancement of quasi-particles relaxation under magnetic field, leading to an enhanced quasi-particle relaxation. Finally we develop a process enabling to fabricate a S-I-N-I-S cooler with large junctions and a suspended Normal metal island decoupled from the substrate.