Transition de phase dissipative et dualité de la jonction Josephson

Dissipative phase transition and duality of the Josephson junction

• Auteur / Autrice : Nicolas Bourlet
• Direction : Philippe Joyez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Denis Basko
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Chapelier, Max Hofheinz, Julien Basset, Julia Meyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Chapelier, Max Hofheinz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Josephson, Jonctions

Supraconductivité

Électronique quantique

Matière condensée

Mots clés libres

Sauts de phase

Jonction Josephson

Système à deux niveaux

Supraconducteurs

Phase slips

Josephson junction

Two level systems

Superconductors

Résumé

Plus d'un siècle après sa découverte, la supraconductivité est aujourd'hui utilisée dans de nombreuses applications. Une de ces applications est l'électronique supraconductrice, et un des blocs de base de celle-ci est la jonction Josephson. Cet élément a permis la réalisation de circuits électroniques dans le régime quantique et il a aidé à redéfinir la valeur du Volt dans le Système International d'unité à partir d'effets quantiques. Ces dernières années, beaucoup de temps et d'efforts sont dépensés pour améliorer ce composant et les circuits l'intégrant dans l'objectif de réaliser de meilleurs circuits à bit quantique pour l'informatique quantique. Il est donc normal de se demander si l'existence de ces circuits de pointe contenant des jonctions Josephson et des supraconducteurs conventionnels indique une maîtrise parfaite de ceux-ci. Dans ce travail de thèse, nous montrons que cela n'est pas entièrement le cas via l'exploration de deux circuits quantiques supraconducteurs pour lesquels des études plus approfondies sont nécessaires. Le premier concerne la jonction Josephson elle-même et son comportement lorsqu'elle est mise en présence d'un environnement électromagnétique. En effet, il a été prédit il y a presque 40 ans qu'une jonction Josephson deviendrait isolante lorsqu'elle est connectée à une résistance plus grande que Rq=h/4e²≈6.45 kΩ. Nous ne trouvons aucunes traces de cet état isolant dans nos expériences qui mesurent l'admittance de jonctions Josephson connectées en parallèle de résistance de valeur R>Rq. Le deuxième circuit explore le composant supposé dual de la jonction Josephson, la jonction à sauts de phase quantique, qui consiste en un nanofil de supraconducteur fortement inductif. Dans ces nanofils, des sauts de 2π de la phase supraconductrice sont censés produire les effets duals des paires de Cooper passant par effet tunnel dans la jonction Josephson. La maîtrise de ces effets duals permettrait la réalisation d'une nouvelle classe de circuits supraconducteurs quantiques. Nous avons fabriqué des résonateurs micro-ondes à partir de couches minces de supraconducteur fortement inductif. Nous ne trouvons aucune signature de l'effet des sauts de phase quantiques dans nos dispositifs. Cependant, nous mesurons un fort bruit basse fréquence causé par des systèmes à deux niveaux, et nous explorons ses implications dans ce type de résonateur.

More than a century after its discovery, superconductivity is used today in many applications. One of those is in superconducting electronics, of which the Josephson junction is a basic building block. This element has enabled the realisation of electronic circuits in the quantum regime, and it has helped redefining the Volt in the SI system around quantum effects. Nowadays, a lot of time and efforts are spent in order to improve Josephson junction based circuits to realise state of the art Quantum-bits for quantum computing. One may think that those highly sensitive experiments involving Josephson junctions and conventional superconductivity imply an exquisite understanding of the component and its behaviour. We show in this thesis work that this is not entirely the case, and we explore two types of superconducting quantum circuits that are in need of clarification. The first one concerns the Josephson junction itself, and a subtle issue regarding its interaction with its electromagnetic environment. Indeed, it has been predicted nearly 40 years ago that a Josephson junction would become insulating when connected to a resistance larger than Rq=h/4e²≈6.45 kΩ. We find no traces of such insulating state in our experiments which measure the admittance of a Josephson junction connected in parallel to a resistance R>Rq. The second circuit we explore is the supposedly dual circuit to the Josephson junction, the quantum phase slip junction, which consists of a nanowire made of a highly inductive superconductor. In those nanowires 2π phase slips of the superconducting phase should produce the dual effects of the Cooper-pair tunneling in Josephson junctions. The control of such an effect would then permit the realisation of a new class of superconducting quantum devices. We measured microwaves resonators patterned in a thin film of a highly inductive superconductor. We find no clear signal revealing the presence of quantum phase slips in our devices. However, we find a clear signature of two-level system low frequency noise, and we explore its implication in this kind of devices.