Spectroscopie 2 tons Josephson

Two-Tone Josephson Spectroscopy

• Auteur / Autrice : Maxime Hantute
• Direction : Jean-Damien Pillet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PMC - Laboratoire de Physique de la Matière Condensée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Electrons Photons Surfaces

Mots clés

Mots clés libres

Jonctions Josephson

Etats liés d'Andreev

Spectroscopie

Josephson junctions

Andreev Bound States

Spectroscopy

Résumé

La spectroscopie est un outil puissant pour sonder directement les états d'énergie d'un système quantique. Ces techniques sont très bien développées dans la gamme des micro-ondes, jusqu'à quelques dizaines de GHz, ainsi que dans la gamme des térahertz, au-dessus de quelques THz [1]. Entre ces deux gammes se trouve ce que l'on appelle le fossé térahertz, où seules quelques technologies peuvent générer et détecter des radiations. L'objectif de ce projet est de combler ce fossé à l'aide de jonctions Josephson. Lorsqu'une telle jonction est soumise à une tension, elle subit des oscillations de Josephson à une fréquence directement proportionnelle à la tension appliquée. Un système d'intérêt est alors couplé à la jonction par induction ou par capacité et la rétroaction de ce système sur la jonction à la fréquence de Josephson est surveillée. Cette spectroscopie Josephson est envisagée depuis quelques décennies [2] et a récemment connu un regain d'intérêt pour l'étude des systèmes quantiques mésoscopiques [3, 4] grâce aux progrès de la nanofabrication. Ces travaux précurseurs reposent tous sur une jonction Josephson unique polarisée en tension qui agit à la fois comme source de rayonnement sur la puce et comme détecteur en mesurant un courant dissipatif dans la jonction. Cependant, un tel schéma est naturellement limité en fréquence en raison de la capacité intrinsèque de la jonction, qui court-circuite le rayonnement électromagnétique à haute fréquence. Pour résoudre ce problème, nous proposons de mettre en œuvre deux améliorations majeures dans ce projet : - L'utilisation d'une jonction SNS (supraconducteur / métal normal / supraconducteur) à base de niobium au lieu d'une jonction tunnel en aluminium comme émetteur Josephson. Les jonctions SNS ont intrinsèquement des capacités de shunt beaucoup plus faibles. En outre, le niobium présente un gap supraconducteur nettement plus grand que l'aluminium, ce qui permet d'atteindre des fréquences plus élevées de l'ordre de quelques THz. - Utilisation d'un résonateur supraconducteur comme détecteur de spectroscopie à deux tons. L'absence de dissipation dans un tel résonateur de haute qualité donnera au spectromètre une excellente résolution de fréquence. L'objectif de ce projet est non seulement de développer un tel spectromètre, mais aussi de l'utiliser pour sonder les états liés d'Andreev dans une structure supraconductrice hybride contenant un nanotube de carbone. Ces états, qui constituent un nouveau type de système quantique élémentaire, se situent à des énergies de l'ordre de 100 GHz et sont pratiquement impossibles à atteindre sans cette technique. Par ailleurs, notre équipe a développé une méthode de croissance, de caractérisation et de transfert de nanotubes de carbone ultra-propres, basée sur les travaux [5] d'un des chefs de projet (Jean-Damien Pillet) lorsqu'il était associé postdoctoral dans le groupe de Philip Kim (Université de Harvard). Nous avons déjà commencé à travailler sur une expérience de validation du projet 2TeJoS où nous avons récemment détecté des résonances dans un résonateur supraconducteur non linéaire jusqu'à des fréquences élevées sans précédent, proches de 100 GHz [6]. [1] H.-W. Hubers, et al. Terahertz spectroscopy: System and sensitivity consideration, IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 1, 321 (2011) [2] H. K. Edstam, et al. Josephson broadband spectroscopy to 1 THz, Appl. Phys. Lett. 64, 2733-2735 (1994) [3] L. Bretheau, et al. Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact. Nature 499, 312-315 (2013) [4] J. Griesmar, et al. Superconducting on-chip spectrometer for mesoscopic quantum physics. Physical Review Research 3, 043078 (2021) [5] A. Cheng, et al. Guiding Dirac Fermions in Graphene with a Carbon Nanotube. Phys. Rev. Lett. 123, 216804 (2019) [6] A. Peugeot, et al. (in preparation)

Spectroscopy is a powerful tool to directly probe the energy states of a quantum system. Such techniques are very well developed in the microwave range up to a few tens of GHz as well as in the Terahertz range, above a few THz [1]. Between these two ranges resides the so-called Terahertz gap where only little technology can generate and detect radiations. The aim of this project if to bridge this gap using Josephson junctions. When such a junction is voltage-biased, it undergoes Josephson oscillations at a frequency directly proportional to the applied voltage. A system of interest is then inductively or capacitively coupled to the junction and the back-action of this system on the junction at the Josephson frequency is monitored. Such Josephson spectroscopy has been considered for a few decades [2] and recently experienced a regain of interest for the study of mesoscopic quantum systems [3, 4] thanks to advances in nano-fabrication. These seminal works all relied on a single voltage-biased Josephson junction acting at the same time as an on-chip radiation source and as a detector by measuring a dissipative current in the junction. However, such a scheme is naturally limited in frequency due to the intrinsic capacitance of the junction, shunting the electromagnetic radiation at high frequencies. To overcome this issue, we propose to implement two major enhancements in this project: • Using a niobium-based SNS (Superconductor / Normal metal / Superconductor) junction instead of an aluminum tunnel junction as the Josephson emitter. SNS junctions have intrinsically much lower shunt capacitances. Besides, niobium has a significantly larger superconducting gap than aluminum, allowing to reach higher frequencies of the order of a few THz. • Using a superconducting resonator as a two-tone spectroscopy detector. The absence of dissipation in such a high-quality factor resonator will give the spectrometer an excellent frequency resolution. The goal of this project is not only to develop such a spectrometer, but also to use it to probe the Andreev Bound States in a hybrid superconducting structure containing a carbon nanotube. These states, which provide a new type of elementary quantum system, lie at energies in the 100 GHz range and are virtually impossible to reach without this technique. Furthermore, our team has developed a method for the growth, characterization and transfer of ultra-clean carbon nanotubes, based on the work [5] of one of the project leaders (Jean-Damien Pillet) when he was a postdoctoral associate in the group of Philip Kim (Harvard University). We have already started working on a proof-of-concept experiment of the 2TeJoS project where we recently detected resonances in a non-linear superconducting resonator up to unprecedented high frequencies, close to 100 GHz [6]. [1] H.-W. Hubers, et al. Terahertz spectroscopy: System and sensitivity consideration, IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 1, 321 (2011) [2] H. K. Edstam, et al. Josephson broadband spectroscopy to 1 THz, Appl. Phys. Lett. 64, 2733-2735 (1994) [3] L. Bretheau, et al. Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact. Nature 499, 312-315 (2013) [4] J. Griesmar, et al. Superconducting on-chip spectrometer for mesoscopic quantum physics. Physical Review Research 3, 043078 (2021) [5] A. Cheng, et al. Guiding Dirac Fermions in Graphene with a Carbon Nanotube. Phys. Rev. Lett. 123, 216804 (2019) [6] A. Peugeot, et al. (in preparation)