Spin and charge effects in Andreev Bound States

Effets de spin et de charge dans les états liés d'Andreev

• Auteur / Autrice : Cyril Metzger
• Direction : Marcelo Fabian Goffman, Hugues Pothier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/03/2022
• 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
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Anthore
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ioan Mihai Pop, Christian Schönenberger, Julia Meyer, Valla Fatemi, Juan Carlos Cuevas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ioan Mihai Pop, Christian Schönenberger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bits quantiques

Supraconductivité

Micro-ondes

Basses températures

Microélectronique

Théorie quantique

Matière condensée

Mots clés libres

Matière condensée

Transport quantique

Circuits supraconducteurs

Cryogénie

Micro-Ondes

Condensed Matter Physics

Quantum transport

Superconducting circuits

Cryogenics

Microwave engineering

Résumé

Nous présentons les résultats d’expériences sondant les propriétés des états d’Andreev dans des liens faibles supraconducteurs à base de nanofils d’Arséniure d’Indium (InAs). Les états d’Andreev sont des états fermioniques localisés qui apparaissent à la jonction (ou lien faible) entre deux électrodes supraconductrices. Ils sont au coeur de la description microscopique de l'effet Josephson. Les nanofils d’InAs permettent d’obtenir des liens faibles de longueur finie, caractérisés par un couplage spin-orbite et des propriétés de conduction ajustables électrostatiquement.Par la technique d'électrodynamique quantique en circuit (cQED), qui consiste à coupler le lien faible à un résonateur microonde de fort facteur de qualité, les états d’Andreev peuvent être isolés efficacement du bruit extérieur, et la lecture de la fréquence du résonateur donne accès à leur occupation. Nous modélisons ce couplage pour atteindre une sensibilité optimale et comprendre en détail la réponse du résonateur couplé au lien faible.Nous avons mesuré les spectres des états d’Andreev, et leur dépendance en différence de phase supraconductrice. Ces spectres mettent en évidence deux effets. Le premier est la levée de la dégénérescence de spin des états du fait du couplage spin-orbite. Cela se traduit par des lignes spectroscopiques caractérisant le changement de l'état de spin d'une quasiparticule unique dans le lien faible. Le seconde est l’influence des interactions coulombiennes entre quasiparticules, réminiscentes de la séparation entre états singulet et triplet de deux spins 1/2 en interaction. La modélisation théorique des liens faibles de longueur finie permet de rendre compte de ces effets.Nous caractérisons également les états d’Andreev par des mesures résolues en temps. Des bits quantiques (qubits) sont obtenus soit en utilisant l’état fondamental et un état où une paire de quasiparticules est excitée ; soit deux états avec une quasiparticule dans des états d’Andreev différents. Nous avons mesuré les temps de vie et temps de cohérence de ces deux types de « qubits d’Andreev ».

We probe experimentally the properties of Andreev states in superconducting weak links based on Indium Arsenide (InAs) nanowires. Andreev states are localized fermionic states that appear at the junction (or weak link) between two superconducting electrodes. They are at the core of the microscopic description of the Josephson effect. InAs nanowires implement finite-length weak links characterized by spin-orbit coupling and electrostatically-tunable conduction properties.By coupling the weak link to a high quality factor microwave resonator, following the circuit quantum electrodynamics (cQED) approach, the Andreev states can be efficiently isolated from external noise, and the resonator frequency readout gives access to their occupation. We model this coupling to achieve optimal sensitivity and to understand in detail the response of the resonator coupled to the weak link.We have performed the microwave spectroscopy of Andreev states, and measured their dependence on the superconducting phase difference. The spectra reveal two effects. The first one is the lifting of the spin degeneracy of the states due to the spin-orbit coupling. This results in spectroscopic lines characterizing the change of the spin state of a single quasiparticle in the weak link. The second one is the influence of Coulomb interactions between quasiparticles, reminiscent of the splitting in singlet and triplet states of two interacting spin-1/2 electrons. Theoretical modeling of finite-length weak links allows to account for these effects.We also characterize the Andreev states by time-resolved measurements. Quantum bits (qubits) are obtained either using the ground state and a state where a pair of quasiparticles is excited; or two states with a quasiparticle in different Andreev states. We have measured the lifetimes and coherence times of these two types of "Andreev qubits".