Mesure du bruit du supercourant à l'équilibre dans un anneau supraconducteur-normal et relation courant-phase des états de bords hélicaux du ditellure de tungstène

Measurement of equilibrium supercurrent noise in superconductor-normal ring and current-phase relation of helical hinge states of tungsten ditelluride

• Auteur / Autrice : Xavier Ballu
• Direction : Meydi Ferrier, Hélène Bouchiat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Anne Anthore
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Buisson, Thilo Bauch, Francesco Giazotto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Buisson, Thilo Bauch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Josephson, Jonctions

Isolants topologiques

Transport quantique

Mots clés libres

Transport quantique

Isolants topologiques

Fluctuations de courant

Quantum transport

Topological insulators

Currents fluctuations

Résumé

Une jonction SNS formée par un matériau non-supraconducteur (N) entre deux contacts supraconducteurs (S) peut être traversée par un supercourant porté par des états liés d'Andreev (ABS) qui est déterminé par la différence de phase supraconductrice aux bornes des contacts supraconducteurs. La valeur de ce courant et sa dynamique sont des sondes très sensibles des propriétés de transport cohérent et topologique dans le matériau non-supraconducteur.Une première expérience dans laquelle un fil mésoscopique (Au) est inséré dans un anneau supraconducteur a permis d'explorer la dynamique des ABS. A température finie, les fluctuations thermiques des ABS doivent donner lieu à des fluctuations du supercourant et donc à une dissipation à fréquence finie dont l'amplitude dépend de leur temps de relaxation comme prédit par le théorème fluctuation-dissipation. En couplant cet anneau à un résonateur supraconducteur nous avons réussi à mesurer indépendamment les fluctuations du supercourant à l'équilibre et la dissipation qui apparait quand on soumet l'anneau à un flux magnétique oscillant. Cette expérience constitue la première confirmation de ce théorème dans une jonction SNS.Dans une seconde partie, nous avons mis en évidence le caractère topologique du ditellure de tungstène (WTe2) à travers la mesure de la relation supercourant/phase en utilisant un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID) asymétrique, constitué de deux jonctions SNS en parallèle. La forme en dent de scie de la relation courant-phase pour une facette latérale du cristal et la survie du supercourant à fort champ magnétique révèlent le caractère balistique et unidimensionnel du transport le long de certaines arêtes sur plus de 500 nm. Ceci est une signature de la présence d'états unidimensionnels protégés du désordre dans ce matériaux confirmant les prédictions d'une phase proche d'un isolant topologique d'ordre supérieur pour ce matériau.

An SNS junction formed by a non-superconducting material (N) between two superconducting contacts (S) can sustain a supercurrent carried by Andreev bound states (ABS) which is determined by the superconducting phase difference across the superconducting contacts. The value of this current and its dynamics are very sensitive probes of the coherent and topological transport properties in the non-superconducting material.An initial experiment in which a mesoscopic wire (Au) is inserted into a superconducting ring has made it possible to explore the dynamics of the ABS. At finite temperature, thermal fluctuations in ABS should give rise to fluctuations in the supercurrent and therefore to a finite-frequency dissipation, the amplitude of which depends on their relaxation time, as predicted by the fluctuation-dissipation theorem. By coupling this ring to a superconducting resonator, we were able to measure independently the fluctuations in the supercurrent at equilibrium and the dissipation that occurs when the ring is subjected to an oscillating magnetic flux. This experiment constitutes the first confirmation of this theorem in an SNS junction.In the second part, we demonstrated the topological character of tungsten ditelluride (WTe2) by measuring the supercurrent/phase relation using an asymmetric superconducting quantum interference device (SQUID), consisting of two SNS junctions in parallel. The sawtooth shape of the current-phase relation for a lateral facet of the crystal and the robustness of the supercurrent at high magnetic field reveals the ballistic and one-dimensional character of the transport along certain edges over more than 500 nm. This is a signature of the presence of one-dimensional states protected from disorder in this material, confirming the predictions of a phase close to a higher-order topological insulator for this material.