Transport Josephson piloté par des vortex d'Abrikosov individuels imagés et manipulés optiquement

Josephson transport driven by optically imaged and manipulated single Abrikosov vortices

• Auteur / Autrice : Siddharatha Thakur
• Direction : Brahim Lounis, Philippe Tamarat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Bouzdine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brigitte Leridon, Edward Goldobin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Javier E. Villegas, Stéphane Berciaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétooptique

Vortex (supraconducteurs)

Supraconductivité

Josephson, Jonctions

Mots clés libres

Supraconductivité

Jonctions Josephson

Imagerie magnéto-optique

Vortex d'Abrikosov

Superconductivity

Josephson junctions

Magneto-Optical imaging

Abrikosov vortices

Résumé

Les circuits supraconducteurs ont des fréquences de fonctionnement élevées, de faibles énergies de passage, et génèrent intrinsèquement moins de chaleur permettant des configurations plus denses que ses équivalents semi-conducteurs. Les vortex d'Abrikosov sont les nano-objets magnétiques les plus compacts dans les supraconducteurs, à l'échelle de ~100 nm. En modifiant la distance entre un vortex et une jonction Josephson, ils peuvent être utilisés pour créer la phase désirée de l'état fondamental afin de contrôler le courant de passage. Au sein notre groupe, nous avons développé des méthodes optiques permettant de créer, d'imager et de manipuler des vortex uniques à des vitesses élevées et à l'échelle submicronique. De plus, en utilisant des techniques de modelage optique, des structures analogues à une jonction peuvent être créées par affaiblissement local du condensat supraconducteur par chauffage optique. Ces méthodes offrent une possibilité de contrôle tout-optique du transport Josephson, avec un potentiel de mise en œuvre à grande échelle. Le travail de cette thèse s'appuie sur ces techniques précédemment développées. Nous abordons tout d'abord la difficulté liée à la résolution de l'imagerie optique. Nous avons développé une configuration d'imagerie magnéto-optique basée sur une lentille hémisphérique à immersion solide (SIL) permettant une résolution optique inférieure à 600 nm de vortex d'Abrikosov uniques. Cela représente une amélioration par trois fois de la résolution par rapport aux systèmes d'imagerie à lentille unique. Si la motivation initiale de cette nouvelle mise en œuvre était l'imagerie optique de vortex uniques dans des structures plus petites, cette méthode permettra également d'étudier les interactions dans les réseaux de vortex, où les distances inter-vortex peuvent être de quelques centaines de nm. En utilisant cette méthode, nous avons réussi à résoudre des vortex uniques dans des électrodes de circuits, ce qui a permis l'observation optique en temps réel de vortex uniques, corrélée avec des mesures de transport. Les techniques de manipulation optique peuvent être appliquées au contrôle de la position des vortex sans avoir recours à la préfabrication de sites de fixation des vortex, permettant d'accéder à une gamme dynamique complète de différences de phase en vue d’opérations complexes. La SIL nous a également permis de modifier les propriétés supraconductrices d’appareils par chauffage optique, en localisant des structures fines jusqu’ici non discernables. La modulation des propriétés de transport par chauffage peut être corrélée quantitativement aux modifications de la densité des paires de Cooper dans le volume de chauffage. De plus, les vortex dans les supraconducteurs à haute température (SHT) ont également été imagés optiquement pour la première fois. La méthode employée ici utilise un mécanisme de re-piégeage de flux dans lequel les vortex dans le SHT sont imagés à travers un supraconducteur à faible température critique, déposé au-dessus. Cette méthode ouvre la voie à l'étude d'interactions entre vortex uniques comme la torsion et la bouture, et au développement de techniques optiques pour piloter les propriétés transport dans les dispositifs SHT.

Superconducting circuits have high operating frequencies, low switching energies, and intrinsically generate less heat allowing denser packing than its semiconducting equivalent. Abrikosov vortices represent the most compact magnetic nano-objects in superconductors, on the scale of ~100 nm. They can be used to engineer the desired ground state phase of a Josephson junction to control the throughput current by modifying the proximity of the vortex to the junction. In our group we have developed optical methods to create, image and manipulate single vortices at high rates at the sub-micron scale. Moreover, using optical patterning techniques, junction-like structures can be created by local weakening of the superconducting condensate by optical heating. These methodologies provide an avenue for complete optical control of Josephson transport, with the potential for large scale implementation. The work of this thesis builds on these previously developed techniques. We firstly address a bottleneck due to optical imaging resolution. We have developed a magneto-optical imaging setup based on a hemispherical solid immersion lens (SIL) leading to sub-600 nm optical resolution of single Abrikosov vortices. This represents a three-fold improvement in the resolution with respect to single lens imaging systems. While the initial motivation of this new implementation was optical imaging of single vortices in smaller structures, this method will also allow the study of vortex lattice interactions, where inter-vortex distances can be a few hundred nms. Using this method, we have been successfully able to resolve single vortices in device electrodes, which has allowed real-time optical observation of single vortices correlated with transport measurements. The optical manipulation techniques can be further applied to control vortex position without the need for pre-fabricated vortex pinning sites, allowing access to a full dynamic range of phase shifts for complex operations. The SIL has also allowed us to localise subtle structures of the device geometry to perform optical heating to modify the superconducting properties. The modulation of the transport properties by heating can be quantitatively correlated to changes in the density of Cooper pairs in the heating volume. Additionally, vortices in high-temperature superconductors (HTS) have also been optically imaged for the first time. The method employed here uses a flux re-trapping mechanism where the vortices in the HTS are imaged through a low-Tc superconductor that is deposited on top. This opens up avenues for studying unique vortex interactions like twisting and cutting, and further application of optical techniques to drive transport behaviour in HTS devices.