Transport et détection quantiques dans un nanofil supraconducteur réalisé par microscopie à force atomique

Quantum transport and detection in superconducting nanowire realized with an atomic force microscope

• Auteur / Autrice : Cécile Delacour
• Direction : Vincent Bouchiat, Bernard Pannetier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Résumé

Ce travail porte sur la fabrication et la mesure de détecteurs quantiques supraconducteurs. Pour nano-structurer ces dispositifs, nous utilisons une technique de lithographie en champ proche : l'anodisation locale sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM). Nous appliquons cette technique à des films ultra-minces (2-10 nm) à base de niobium (Nb, NbN) épitaxiés sur des substrats de saphir. La résolution ultime que nous obtenons est de 10nm. Elle nous permet de réaliser des nanofils cristallins dont la section est nanométrique (100nm2) et homogène sur de grandes distances ( 40µm). Nous caractérisons en amont la qualité cristalline des films et mesurons leurs propriétés électriques jusqu'aux plus basses températures. Ces expertises sont menées en parallèle, sur des films d'épaisseur variable et nous permettent l'analyse de la transition supraconducteur-isolant dans les films ultra-minces en fonction du désordre mesuré dans les couches. Nous déterminons les régimes dissipatifs des nanofils supraconducteurs à très basses températures. Dans le régime de point chaud, nous montrons que les nanofils permettent la détection rapide d'un photon unique. Les détecteurs sont sensibles au photon unique dans le visible et à deux photons dans l'infrarouge. Ces détecteurs supraconducteurs ont une résolution temporelle inégalée par les détecteurs semiconducteurs. Ils peuvent être utilisés comme des compteurs de photons et être utiles à l'implémentation d'une cryptographie classique et quantique pour la transmission d'information sécurisée.

This work deals with realizations and measurements of superconducting quantum devices. For patterming these devices, we use a technique of near field lithography : the local oxydation of a thin metallic layer with an atomic force microscope (AFM). We apply this technique to Nb and NbN ultra-thin films (2-10 nm) epitaxaly grown on sapphire substrates. The ultimate resolution that we obtain is of 10nm. It enables us to carry out crystalline nanowires whose section is nanometric (100nm2) and homogeneous at long distances( 40µm). In preliminary studies, we characterize the crystalline quality of films and we measure their electrical properties at the lowest temperatures. These studies are performed for several film?s thicknesses and allow the analyse of the superconducting-insulating transition in ultra-thin films according to the disorder measured in the layers. We determine the dissipative modes of the superconducting nanowires at very low temperatures. In the hot-spot regime, we show that the nanowires allow fast detection of single photons. The detectors are sensitive to one photon in the visible and two photons in infrared. These superconducting devices could be used like photons counters and then be useful for implementing a quantum cryptography and making safe transmission of the informations.