Contrôle du contenu harmonique de la relation courant-phase dans des éléments Josephson à base de germanium

Tailoring harmonics of the current-phase relation of Germanium-based Josephson elements

• Auteur / Autrice : Axel Leblanc
• Direction : François Lefloch
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 17/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS
• Jury : Président / Présidente : Sergey Frolov
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julia Meyer, Audrey Bienfait, Çaglar Girit, Georgios Katsaros, Andrea Hofmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sergey Frolov, Çaglar Girit

Mots clés

Mots clés libres

Josephson

Supraconductivité

Nanoélectronique quantique

Josephson

Quantum nanoelectronics

Superconducting qubit

Résumé

Les dispositifs hybrides supraconducteur (S)-semi-conducteur (Sm) apportent de nouvelles fonctionnalités aux circuits supraconducteurs en introduisant des transistors à effet de champ Josephson (JoFET) : des jonctions Josephson avec un courant critique modulable par une grille. En particulier, des qubits hybrides protégé par parité et des diodes Josephson ont récemment été proposés et démontrés expérimentalement. Ces dispositifs tirent parti de la multi-harmonicité de la relation courant-phase (CPR) des jonctions S-Sm-S hautement transparentes, une propriété jusqu’ici sous-exploitée. Dans ce travail, nous rapportons une étude expérimentale de dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs (SQUIDs) intégrant des JoFETs fabriqués à partir d’une hétérostructure SiGe/Ge/SiGe, développée au CEA-Grenoble. Les CPRs des jonctions individuelles montrent plusieurs harmoniques avec des amplitudes modulables par grille. En présence d’irradiation micro-onde, l’apparition de marches de Shapiro entières et demientières confirme cette observation. Une combinaison de contrôle par flux magnétique et tension de grille permet de moduler le comportement du SQUID d’un régime de diode Josephson non réciproque avec une asymétrie de 27 % à un régime Josephson π-périodique. Dans un dispositif à double SQUID, nous parvenons à caractériser quantitativement un régime où la composante sin(2φ) représente plus de 95 % du supercourant total. Enfin, ce résultat est mis en perspective par la discussion de l’implementation d’un qubit supraconducteur cos(2φ) protégé par parité basé sur cette plateforme hybride Al-Ge/SiGe.

Hybrid superconductor(S)-semiconductor(Sm) devices bring a range of functionalities into superconducting circuits by introducing Josephson field-effect transistors (JoFETs): Josephson junctions with a gate-tunable critical current. In particular, hybrid parity-protected qubits and Josephson diodes were recently proposed and experimentally demonstrated. Such devices leverage the multiharmonicity of the Josephson current-phase relation (CPR) in highly transparent S-Sm-S junctions, a so-far underutilized property. In this work we report an experimental study of superconducting quantum-interference devices (SQUIDs) embedding JoFETs fabricated from a SiGe/Ge/SiGe heterostructure grown at CEA-Grenoble. The single junction CPRs shows multiple harmonics with gate tunable amplitudes. In the presence of microwave irradiation, the appearance of integer and half integer Shapiro steps confirms this observation. A combination of magnetic-flux and gate-voltage control enables tuning the SQUID functionality from a nonreciprocal Josephson-diode regime with 27 % asymmetry to a π-periodic Josephson regime. Within a double SQUID device, we are able to quantitatively characterize a regime where the sin(2φ) component accounts for more than 95 % of the total supercurrent. Finally, this result is placed into perspective through a discussion of the implementation of a cos(2φ) parity-protected qubit within the Al-Ge/SiGe hybrid platform