Phase dynamics of the ferromagnetic Josephson junctions

• Auteur / Autrice : Ivana Petkovic
• Direction : Marco Aprili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Josephson, Effet

Supraconductivité

Magnétisme

Mots clés libres

Dynamique de la phase

Résumé

Supraconductivité et ferromagnétisme sont deux états de la matière antagonistes. Néanmoins, il est possible, dans des nanostructures hybrides, de coupler leur paramètre d'ordre dans des jonctions Josephson ferromagnétiques où le flux magnétique produit par l'aimantation produit une différence de phase entre les supraconducteurs : la phase Aharonov-Bohm. C'est par l'effet Josephson AC qui transforme une tension continue en un courant alternatif que nous avons accédé à la dynamique de l'aimantation. Nous avons observé que lorsque la tension à travers la jonction est égale à la fréquence caractéristique des modes ferromagnétiques, il apparaît une résonance dans la courbe courant/tension. Nous avons expliqué cet effet par analogie avec la diffraction à travers une couche dont l'indice de réfraction dépend du temps, et nous avons établi une correspondance avec la mesure des résonances ferromagnétiques effectuées sur un échantillon de taille macroscopique. Ces expériences ouvrent des perspectives nouvelles d'étude des ondes de spin dans des systèmes de très petite taille. Nous nous sommes également intéressés au bruit et la relaxation de phase dans de telles jonctions que si considérées comme des sources de phase sont potentiellement utiles pour l'électronique quantique. Par des mesures d'échappement, nous avons montré que le bruit thermique est dominant au moins aux températures supérieures à 350mK. Nous avons également déterminé le temps de relaxation de la phase avec une expérience de type pompe sonde. A ce but, nous avons utilisé une transition de phase cinétique observée en régime non-stationnaire, lors que la fréquence d'excitation est comparable au temps de relaxation.

The coupling between the electromagnetic field and a Josephson junction has a number of manifestations and is very well understood. When the barrier inside a Josephson junction is magnetic, in addition to the decrease of the Josephson current due to the exchange field, the magnetization dynamics couples to the Josephson phase. As a consequence of energy dissipation through spin motion, a magnetic resonance of frequency w appears as a depression in the current-voltage curve of the Josephson junction when ћw = 2eV. By exciting the magnetic system via the singlet Josephson supercurrent which also detects its characteristic modes, we have been able to perform a resonance experiment on a mere 5 femto cm3 of material or 10^7 Ni atoms. We have also investigated the classical phase dynamics of large area strongly underdamped ferromagnetic Josephson junctions by measuring the switching probability both in the stationary and non stationary regime. We have found that the switching is governed by the thermal noise, indicating negligible spin noise induced broadening. In the non stationary regime, achieved the for ramp frequency comparable to the inverse RC time, we have performed a pump-probe experiment that shows a kinetic phase transition due to the phase bifurcation. Bifurcation manifests itself as a bimodal switching distribution. Through the frequency dependence of the population of each mode we directly measured the phase relaxation time. Numerical simulations account for its experimental values, set by the quasiparticle resistance.