Josephson photonics : Statistics of photons emitted by inelastic Cooper pair tunneling

par Alexander Grimm

Thèse de doctorat en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de Olivier Buisson.

Le président du jury était Jean-Michel Gérard.

Le jury était composé de Max Hofheinz, Gerhard Kirchmair.

Les rapporteurs étaient Andreas Wallraff, Joachim Ankerhold.

  • Titre traduit

    Photonique Josephson : statistique des photons émis par effet tunnel inélastique de paires de Cooper


  • Résumé

    Ce travail de thèse apporte une contribution au domaine émergent de la photonique de Josephson en étudiant des corrélations entre photons émis par effet tunnel inélastique à travers une jonction Josephson soumise à une différence de potentiel électrique. Nous démontrons la possibilité de modifier fortement la statistique de ces photons en incorporant la jonction dans un environnement électromagnétique soigneusement conçu. Dans ce contexte, nous avons élaboré et mesuré une source de rayonnement micro-onde de forte intensité, capable d'émettre des photons dont les statistiques dites « de groupement » et « de dégroupement » ne dépendent que d'un seul paramètre modifiable in situ.Afin de réaliser cette expérience, nous avons mis en place un montage de type Hanbury-Brown & Twiss pour mesurer les corrélations entre photons à l'aide d'amplificateurs linéaires dans un cryostat à dilution. De plus, nous avons conçu des circuits micro-onde où la jonction est exposée à des impédances dépendant spécifiquement de la fréquence. Pour réaliser ces dispositifs, nous avons développé un procédé de nano-fabrication de jonctions Josephson verticales à base de nitrure de niobium utilisant de l'oxyde de magnésium comme barrière tunnel. Enfin, en vue d'une meilleure compréhension de nos échantillons, nous avons contribué aux avancées théoriques liées à l'extension de la théorie dite P(E) de l'effet tunnel inélastique de paires de Cooper, dans le but de décrire les corrélations entre événements tunnel.Ces résultats ouvrent la voie, non seulement à une évolution de ces sources de lumière vers le domaine fréquentiel du THz, mais aussi à l'élaboration d'autres dispositifs basés sur la même physique, tels que des détecteurs et des amplificateurs proches de la limite quantique.


  • Résumé

    This thesis contributes to the emerging field of Josephson photonics through the study of correlations between microwave photons emitted by inelastic Cooper pair tunneling across a voltage-biased Josephson junction. We show that the photon statistics can be strongly modified by embedding the junction into a carefully engineered electromagnetic environment. Doing so, we have elaborated and measured a bright on-demand radiation source, capable of emitting bunched and anti-bunched microwave photons depending only on a single in-situ tunable parameter.In order to conduct this experiment, we have implemented a Hanbury-Brown & Twiss setup for photon correlation measurements using linear amplifiers in a dilution refrigerator. Furthermore, we have designed microwave circuits presenting specific frequency-dependent impedances to the junction. To build these devices we have developed a nano-fabrication process for vertical Josephson junctions made from niobium nitride and using magnesium oxide as a tunnel barrier. Finally, we have contributed to the theoretical advances associated with the understanding of these devices, which extend the so-called P(E) theory of inelastic Cooper pair tunneling to include correlations between tunneling events.These results pave the way for further developments, notably with the possibility to extend the frequency range of these radiation sources to the THz domain but also in view of other devices based on the same physics, such as detectors and amplifiers close to the quantum limit.


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