Sauts de phase quantiques dans les nanofils supraconducteurs

par Nicolas Bourlet

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Philippe Joyez.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 16-10-2017 .


  • Résumé

    Une jonction Josephson (jonction tunnel entre deux électrodes supraconductrices) est le seul composant électrique non linéaire et non dissipatif connu à ce jour. Ces deux propriétés le placent au cœur de tous les composants électroniques supraconducteurs, des magnétomètres à SQUIDs au standard du Volt obtenus grâce à des réseaux de jonction Josephson sous illumination micro-ondes, en passant par les circuits supraconducteurs développés récemment pour l'information quantique. Cette thèse vise à tester la faisabilité et les propriétés d'un autre dipôle supraconducteur non dissipatif dont le principe a été proposé par Mooij et Nazarov il y a presque dix ans : la jonction à saut de phase quantique (Quantum Phase Slip Junction QPSJ en anglais) [1]. Une QPSJ consiste en un mince fil supraconducteur reliant deux électrodes supraconductrices, et sensé se comporter comme l'exact dual (au sens quantique) d'une jonction Josephson : leurs comportements sont identiques, à condition d'échanger le rôle de la différence de phase supraconductrice et de la charge accumulées aux bornes du dipôle. De même qu'une jonction Josephson réalise la superposition cohérente d'états caractérisés par le transfert par effet tunnel de différents nombres de paires de Cooper, une QPSJ réalise la superposition cohérente d'états caractérisés par des écarts de phase entre les deux électrodes différant de multiples de 2p. On peut se représenter cet état comme la superposition cohérente du transfert tunnel de différents sauts de phase au travers du fil. L'implémentation de QPSJs constituerait une percée majeure en électronique supraconductrice. En irradiant un QPSJ par des micro-ondes, on implémenterait une expérience duale de celle de l'effet Josephson AC : au lieu d'établir une relation métrologique entre la seconde et le Volt, on obtiendrait une relation entre l'Ampère et la seconde. De même, les QPSJ seraient la brique de base d'une électronique supraconductrice de très haute impédance, ouvrant d'innombrables possibilités. Depuis la suggestion de Mooij et Nazarov [1], une poignée d'expériences ont été menées sur les QPSJ confirmant partiellement les prédictions [2,3], mais soulevant plus de questions qu'elles n'ont apporté de réponses. En particulier, la simple modulation périodique de la charge aux bornes d'un fil supraconducteur n'a pas été clairement observée [4]. L'objectif de cette thèse est de réaliser l'expérience proposée par Hriscu et Nazarov [5], dans le but spécifique de tester cette modulation en charge. [1] Mooij and Nazarov, Nat. Phys. 2, 169 (2006). [2] Astafiev et al., Nature 484, 355 (2012), [3] Peltonen et al. Phys. Rev. B 88, 220506(R) (2013) [4] Hongisto and Zorin, Phys. Rev. Lett. 108, 097001 (2012) [5] Hriscu and Nazarov, Phys. Rev. Lett. 106, 077004 (2011)

  • Titre traduit

    Quantum Phase Slips in NanoWires


  • Résumé

    The celebrated Josephson junction is so far the only known non-linear non-dissipative electronic component. These key properties place it at the heart of essentially all superconducting electronic devices: SQUIDS magnetometers, Josephson Volt standards but also the recently developed quantum information processing circuits or quantum-limited amplifier circuits. The present thesis aims at testing the practical feasibility and actual properties of a second non-linear non-dissipative superconducting component which was proposed by Mooij and Nazarov [1] nearly a decade ago. This new component is called a Quantum Phase Slip Junction (QPSJ). It consists of a very thin superconducting wire which is predicted to behave as the exact quantum dual of the Josephson junction. Such duality means that the equations describing the QPSJ and the Josephson junction are formally identical save for charge and phase exchanging roles. In other words, where a Josephson junction coherently superposes many states differing by the number of Cooper pairs having tunneled through the barrier, a QPSJ coherently superposes many states differing by the number of 2p phase windings along the wire, which can be seen as a superposition of various number of flux quanta having tunneled across the wire. Would such a QPSJ component become actually available, it would be a genuine breakthrough. In particular, it should enable the realization of an experiment dual to the celebrated AC Josephson effect that would be emblematic of QPSJ physics: Instead of establishing a metrological link between the Volt and the second, this dual experiment would link the Ampere to the second. Likewise, a whole new range of high impedance superconducting circuits (which are presently downright antinomic) would become feasible. This would unquestionably open up a new era for the whole field of superconducting circuits. Since the proposal of QPSJ came to light, a handful of experiments have investigated the physics of QPSJ, partially confirming the predictions [2,3], but raising more questions than they brought answers. In particular the very basic prediction of a periodic charge modulation in QPSJs is lacking a clear-cut confirmation [4]. The main goal of this thesis is to perform the experiment proposed by Hriscu and Nazarov [5], aiming specifically at testing this charge modulation. [1] Mooij and Nazarov, Nat. Phys. 2, 169 (2006). [2] Astafiev et al., Nature 484, 355 (2012), [3] Peltonen et al. Phys. Rev. B 88, 220506(R) (2013) [4] Hongisto and Zorin, Phys. Rev. Lett. 108, 097001 (2012) [5] Hriscu and Nazarov, Phys. Rev. Lett. 106, 077004 (2011)