Spectroscopie optique au sub-THz et au sub-Kelvin de supraconducteurs

par Olivier Dupré

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Thierry Klein et de Alessandro Monfardini.

Soutenue le 21-09-2018

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Dirk van der Marel.

Le jury était composé de Olivier Buisson, Ricardo Lobo, Florence Lévy-Bertrand.

Les rapporteurs étaient Claire Akiko Marrache-Kikuchi, Alain Pautrat.


  • Résumé

    Dans le cadre de ma thèse, j’ai étudié des supraconducteurs par une nouvelle  technique de spectroscopie optique. Cette technique, inspirée de détecteurs de photons utilisés en astrophysique, permet de faire des mesures de 0 à 300 GHz, avec une résolution de ~1 GHz, à une température de ~100 mK. Les supraconducteurs étudiés sont lithographiés sous la forme de résonateurs pour devenir des détecteurs de photons dont leur fréquence de résonance varie en fonction de leur densité superfluide.  Au cours de cette thèse, j’ai fabriqué et étudié des résonateurs à partir de différents matériaux supraconducteurs (en couches minces). La dimensionnalité joue un rôle essentiel dans la supraconductivité. A priori, en deux dimensions un système ne devrait pas être supraconducteur mais il existe de nombreux contre-exemples (monocouche de FeSe, interface d’oxydes,…). Dans ce contexte l’aluminium est particulièrement intéressant car le mécanisme supraconducteur est conventionnel (couplage électron-phonon) et que l’on peut faire varier son épaisseur (couches minces) et sa microstructure (aluminium granulaire) relativement facilement. La thèse se compose de deux parties.Dans une première partie je me suis intéressé à l’influence de l’épaisseur sur la supraconductivité de couches minces d’aluminium (de 15nm à 200nm). Dans la majorité des matériaux supraconducteurs, la température critique diminue avec l’épaisseur alors que dans certains matériaux, comme dans l’aluminium, elle augmente. Différentes théories existent pour expliquer ce phénomène mais il n’existe actuellement aucun consensus. Par des techniques combinées de spectroscopie à forte résolution et de résistivité, j’essaye d’apporter un éclairage nouveau à l’augmentation de la température critique dans l’aluminium lors de la diminution de l’épaisseur. J’interprète ce phénomène comme étant lié à un durcissement des phonons, ce qui ne constitue pas une explication habituellement citée.Dans une deuxième partie, on présente des supraconducteurs désordonnés, à savoir l’oxyde d’indium (InOx) et l’aluminium granulaire (GrAl). Dans ces matériaux, on a mis en évidence des excitations sous le gap supraconducteur par des mesures de spectroscopie optique. Ces excitations, dont l’origine est discutée, sont a priori inattendues dans les supraconducteurs conventionnels.Ainsi, on a mis en évidence dans des résonateurs d’oxyde d’indium la détection très sélective en énergie de photons ayant une énergie très inférieure au gap supraconducteur. On explique le mécanisme de détection en démontrant qu’il est lié à l’excitation des modes de résonance d’ordre supérieur, associée à la non linéarité de l’inductance cinétique avec le courant circulant dans le résonateur.Dans l’aluminium granulaire, on a étudié certaines excitations sous le gap supraconducteur dans deux échantillons de résistivité différente. Une antenne radio-fréquences placée devant le cryostat illumine les résonateurs. On choisit un résonateur quelconque et on sélectionne la fréquence des photons délivrés par l'antenne de telle sorte qu'elle corresponde aux différentes excitations que l'on souhaite étudier. On s'intéresse alors à l'influence de la puissance des photons incidents sur l’évolution de la résonance. On met en évidence des comportements non standards de la fréquence de résonance ainsi que du facteur de qualité, selon les excitations étudiées.

  • Titre traduit

    Sub-THz and sub-Kelvin optical spectroscopy of superconductors


  • Résumé

    During my PhD-thesis, I studied superconductors thanks to a new optical spectroscopy measurements technique, based on photon detectors for astrophysics. This technique enables measurements ranging from 0 to 300 GHz with a resolution of ~1 GHz at a temperature of ~100 mK. The superconductors are lithographed into resonators whose resonance frequency depends on the superfluid density. During this thesis, I made and studied resonators from different superconducting materials in thin films.Dimensionality plays a fundamental role in superconductors. In principle, in two dimensions a system should not be superconducting but there are a lot of counterexamples like single layer of FeSe or oxide interfaces. In this context, aluminum is particularly interesting for mainly two reasons. First, the superconducting mechanism is conventional : it consists in an electron-phonon coupling. Then, it is pretty easy to modify its thickness (thin films) and its microstructure (granular aluminum).The manuscript is composed of two parts.In the first part, I studied the role played by the thickness on the superconductivity of aluminum thin films, ranging from 15 nm to 200 nm. In most superconductors, the critical temperature decreases with thickness, whereas in some materials like aluminum, it increases. Several theories may explain this phenomenon but there is currently no consensus. Thanks to combined techniques of high resolution optical spectroscopy and of resistivity measurements, I suggest that the origin of the critical temperature increase in aluminum thin films would be phonon hardening. This explanation is not among the popular ones.In the second part, we present disordered superconductors, namely indium oxide (InOx) and granular aluminum (GrAl). In these materials, we evidenced sub-gap optical absorptions. In principle, these absorptions are unexpected in superconductors. We show that they are caused by higher order resonance mode excitations combined with kinetic inductance non-linearity with the current circulating in the resonator.In granular aluminum, we studied some sub-gap excitations in two samples with a different room temperature resistivity. A radio-frequency antenna situated in front of the dilution refrigerator illuminates the resonators. We choose a resonator and we select the photon frequency in such a way that it matches with the different studied excitations. We observe the influence of the incident photon power on the resonance. We evidence non standard behaviors of resonance frequency and quality factor, according to the studied excitations.


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