Dynamique des vortex dans des nanofils supraconducteurs d'YBCO irradiés : vers la détection de photon unique

Vortex dynamics in ion irradiated YBCO superconducting nanowires : toward single photon detection

• Auteur / Autrice : Paul Amari
• Direction : Jérôme Lesueur, Cheryl Feuillet-Palma
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/03/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (Paris ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Plaçais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Floriana Lombardi, Félix Bussières
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Bourgeois, Claude Chapelier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Baryum -- Composés

Couches minces

Nanofils

Supraconducteurs à hautes températures

Mots clés libres

Supraconductivité

SSPD

YBCO

Dynamique des vortex

Nanofils

Distribution de courant d'échappement

Superconductivity

Vortex dynamics

Switching current distribution

Résumé

Cette thèse étudie la possibilité de détecter un photon unique avec un supraconducteur à haute température. Pour cela, nous avons développé un procédé basé sur l'irradiation ionique de films minces d'YBCO pour fabriquer des nanofils supraconducteurs fiables grâce à une couche protectrice d'oxyde de cérium. Nous avons caractérisé des nanofils ayant au minimum une épaisseur de 12 nm et une largeur de 100 nm, et au maximum une longueur de 750 µm. Les courbes courant-tension des fils ayant de fortes densités de courant critique sont hystérétiques et présentent un saut de tension. La présence de l'hystérèse est dictée par les propriétés thermiques. Les mesures statistiques des courbes courant-tension en fonction de la température, du champ magnétique, et de la puissance micro-onde, montrent qu'une instabilité de vortex déclenche le saut de tension. Nous avons aussi analysé les régimes de tension dissipatifs en fonction de la température et de la puissance micro-onde. Le régime de basse tension est dominé par le piégeage des vortex. Pour des tensions plus grandes, les données sont décrites par le mouvement de vortex thermiquement activé avec des interactions de vortex. En présence de micro-onde, les nanofils présentent des marches de courant liées au mouvement cohérent de vortex. Les mesures de transport démontrent que le régime de tension dissipatif avant le saut de tension est gouverné par la dynamique des vortex. Enfin, nous avons étudié le taux de comptage des impulsions de tensions dans les nanofils à basses températures. Plusieurs arguments tendent à montrer que le taux de comptage noir est dû au passage de vortex par effet tunnel.

This thesis investigates the potential of high-temperature superconductor as single photon detector. To this end, we developed a fabrication workflow based on ion irradiation on YBCO thin films for patterning robust superconducting nanowires thanks to a cerium oxide protecting layer. We characterized superconducting YBCO nanowires, down to 12~nm in thickness and 100~nm in width, and up to 750~µm in length. The current voltage curves with high critical current density become hysteretic with a voltage switch. The thermal properties of the nanowire governs the hysteresis appearance. By measuring extensively the switching current statistics and the current voltage curves as a function of temperature, magnetic field, and incident microwave power, we concluded that vortex instabilities trigger the voltage switch. Additionally, we analyzed the dissipative voltage regimes in the current voltage characteristic with respect to temperature and incident microwave power. The low voltage branch is dominated by vortex pinning in the flux creep theory. At higher voltage, thermally activated vortex motion in presence of vortex interaction accounts for the experiments. If a microwave signal irradiates the nanowires, they exhibit integer and fractional Shapiro-like steps arising from a coherent vortex motion. Altogether, the transport measurement demonstrate that dissipation in ion irradiated nanowires is governed by vortex dynamics. At last, we study the count rates in YBCO nanowires at very low temperatures. Several arguments tend to show that the dark count arises from single vortex quantum tunneling.