Josephson effects and Cooper pair splitting in modern hybrid devices

par Romain Jacquet

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux, Physique, Chimie et Nanosciences

Sous la direction de Thierry Martin, Jérôme Rech et de Thibault Jonckheere.

Le président du jury était Laurence Masson.

Le jury était composé de Denis-Christian Glattli.

Les rapporteurs étaient Reinhold Egger, Fabio Pistolesi.

  • Titre traduit

    Approches de théorie quantique des champs pour le transport quantique dans les nanostructures


  • Résumé

    Dans une jonction Josephson entre deux supraconducteurs séparés par deux points quantiques (dots), les paires de Cooper, qui sont les entités élémentaires du courant Josephson DC, peuvent être éventuellement scindées (processus CAR). Lorsqu'un champ magnétique est appliqué entre ces deux dots, la dépendance du courant critique renseigne sur ce processus de transport non local par une mesure à l'équilibre. Une efficacité de séparation des paires de Cooper a été définie et permet d'indiquer quels jeux de paramètres pourraient permettre à l'expérimentateur d'optimiser cette délocalisation spatiale d'électrons. Dans une jonction Josephson entre deux supraconducteurs polarisée, un courant alternatif apparaît avec une fréquence Josephson proportionnelle à la tension appliquée. Dans une jonction entre trois supraconducteurs, plusieurs fréquences Josephson cohabitent. Néanmoins, lorque la borne centrale est mise à la terre et les deux bornes latérales sont polarisées avec des tensions commensurables, un courant Josephson DC apparaît traduisant le transport effectif de paires de Cooper. Des résultats numériques pour la résonance quartet (intrication de deux paires de Cooper scindées par double CAR) sont présentés. Un calcul unifié basé sur les fonctions d'onde solutions de l'équation de Bogoliubov - de Gennes a permis de calculer courant et bruit dans une jonction entre deux supraconducteurs qu'ils soient conventionnels ou topologiques. Dans une jonction entre deux supraconducteurs topologiques, des quasiparticules d'énergie nulle aux propriétés de Majorana peuvent exister et le calcul entrepris permet de dégager de nouvelles signatures pour la présence de ces excitations.

    mots clés mots clés

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  • Résumé

    In a Josephson junction between two superconductors with two quantum dots in between, Cooper pairs which are the elementary charge carriers of the Josephson DC current can eventually be split (CAR process). If a magnetic flux threads the area enclosed by dots and superconductors, the critical current as a function of the Aharonov-Bohm phase can give information about this nonlocal process through an equilibrium measurement. A splitting efficiency has been defined so that experimental parameters optimizing Cooper pair splitting can be indicated to the experimentalist. In a Josephson junction between two superconductors, if a voltage is applied, an alternative current occurs with a Josephson frequency proportional to the voltage drop. In an all-superconducting three-terminal junction, several voltage drops and consequently different Josephson frequencies coexist. However, if the central electrode is grounded while the lateral gates are biased with commensurate voltages, then a DC Josephson current is recovered which translates the effective transport of Cooper pairs. Numerical results for the quartet resonance (production of two entangled Cooper pairs split by double CAR) are provided. Josephson current and thermal noise have been computed for a junction between conventional superconductors and a junction between topological superconductors (hosting zero-energy quasiparticules with Majorana properties) within a unified framework based on the Bogoliubov - de Gennes scattering approach. Such a calculation participates in the recent search of convincing signatures for the presence of Majorana modes.


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