Electronic properties of diffusive three-terminal Josephson junctions and non-local quartet mechanism
Propriétés électroniques de jonctions Josephson diffusives à trois terminaux et mécanisme de quartets non-local
Résumé
During this PhD, I have first finished the development of a unique experimental set-up, dedicated for studies of electronic transport of low impedance multi-terminal nanostructures. This set-up allows conductance and noise measurements at very low temperature (30mK), with a resolution of a few pico-ampere by using SQUIDs as current amplifiers. In chapter 5, I give some explanation of the measurement working principle. Furthermore, I explain the calibration of the experimental set-up as well as how to extract physical quantities from the measurements. In chapter 6, I explain transport measurements on diffusive tri-terminal junctions (tri-junction). In a T-shape called geometry, the superconducting Al-electrodes are connected via a common metallic, non-superconducting part of Copper. For these nanostructures, we observe features in the conductance at low voltage, which have been never observed yet experimentally. These features in conductance/resistance have a striking resemblance with a dc-Josephson effect, appearing when two applied potentials on the tri-junction compensate exactly each other. In literature, two mechanisms are proposed to explain this effect. The first mechanism, called "mode-locking", corresponds to a dynamic locking of ac-Josephson currents, which is induced by the experimental environment (circuit).
This situation has been extensively studied in the 60's on coupled microstructures, based on weak links. In order to test this explanation, we have measured a junction, which is composed of two spatially separated Josephson junctions. The anomalies does not show up in such a geometry, even not with strongly reduced amplitude. This indicates, that synchronization via the experimental environment can't be the origin of the observed features.
The second theoretical mechanism is named "quartet-mode" and has been recently proposed by Freyn and Co-workers. In this process, one superconducting electrode emits doublets of Cooper-pairs. Each of the two pairs splits into two quasi particles propagating toward different superconducting contacts. In such a mechanism, two quasi-particles originating of two different Cooper-pairs, arrive each in the two superconducting contacts. If the applied voltage between the emitting superconducting contact and the two other contacts is exactly opposite, the phase of the electronic wave functions of the arriving quasiparticles on the same superconducting contact are such that these two quasi-particles can recombine by forming a Cooper-pair. Due to this mechanism, the emitted doublet of Cooper-pairs is coherently distributed as two Cooper-pairs, each of them in a different superconducting contact. This mechanism is favored, since it is robust with respect to disorder and can hence also exist over a large range of voltage. During this PhD, I have shown that these anomalies are indeed present for applied voltage corresponding to energies well above the Thouless energy. Argumentum a contrario, the coherent effects responsible for the ac Josephson-effect have to be strongly attenuated over the same range of energy, which makes low probable the effect of mode-locking. The observed dependency with applied magnetic field and the temperature are further indications for the quartet-mode. Unfortunately, for the moment, no microscopic complete theory of such a tri-junction exists in order to provide an inevitable argumentation. Nevertheless, a phenomenological approach has been developed based on a extended RSJ model. This allows an estimation of the influence of the particularities of the experimental set-up (voltage-/current-bias). The first part of the manuscript (chapter 1-4) consists of an introduction, followed by a quite detailed description of mesoscopic physics, on which the further manuscript is based as well as a state-of the art about the studies of coupled Josephson junctions. Chapter 5-7 describes the performed experimental work. In chapter 8, I give a conclusion about the effected work and propose complementary experiments as well as long term perspectives.
Pendant ce travail de thèse, j'ai tout d'abord finalisé le développement d'un système expérimental unique dédié aux études de transport électronique de nanostructures multiterminaux de faible impédance. Ce dispositif permet des mesures de conductance et de bruit à très basse température (30 mK), avec une résolution du pico-ampère en utilisant des SQUIDs comme amplificateurs de courant. Dans le chapitre 5, je fournis une description du fonctionnement de la mesure. De plus, je décris la calibration du dispositif et la manière de déduire des quantités physiques à partir des mesures. Au Chapitre 6, je décris des mesures de transport avec des jonctions diffusives à trois terminaux (tri-jonctions). Dans une géométrie, que l'on appelle T-shape, des électrodes supraconductrices d'Aluminium sont connectées entre-elles par une partie centrale métallique non-supraconductrice de Cuivre. Pour ces nanostructures, on observe des anomalies de conductance à basse tension qui n'ont jamais été observées expérimentalement. Ces anomalies de résistance/conductance ressemblant fortement à l'effet Josephson apparaissant lorsque deux des potentiels appliqués à la tri-jonction ont une somme nulle. Les anomalies sont présentes sur une large échelle de tension sans perte d'amplitude. De-même, elles montrent une grande robustesse en température. Des expériences sous champ magnétique appliqué montrent une forte suppression des anomalies pour un champ magnétique correspondant à flux magnétique dans la partie normale de l'ordre d'un quantum de flux. Ceci indique qu'un mécanisme cohérent de phase doit être à l'origine des anomalies. Dans la littérature, deux mécanismes sont proposés pour expliquer ces effets. Le premier, nommé "mode-locking", est un accrochage dynamique des courants Josephson ac, qui est induit par l'environnement expérimental (circuit). Cette situation a été étudiée dans les années soixante sur des microstructures Josephson couplées à base de liens faibles. Pour tester cette explication, nous avons mesuré un échantillon composé de deux jonctions Josephson spatialement séparées. Les anomalies n'apparaissent pas dans une telle géométrie, pas même avec une amplitude réduite. Ceci indique qu'une synchronisation par l'environnement expérimental ne peut pas être à l'origine des anomalies observées. Le deuxième mécanisme théorique évoqué est nommé "mode de quartet" et a été proposé récemment par Freyn et collaborateurs. L'une des électrodes supraconductrices distribue alors des doublets de paires de Cooper. Chacune de ces deux paires se scindent alors en deux quasiparticles se propageant chacune vers deux contacts supraconducteurs différents. Dans un tel mécanisme deux quasiparticules, issues de deux paires de Cooper différentes, arrivent sur chacun des deux contacts supraconducteurs. Lorsque les tensions appliquées entre le contact supraconducteurs émetteur et les deux autres contacts sont exactement opposés, les phases des fonctions d'ondes électroniques des quasiparticules arrivant sur un même contact supraconducteur sont telles que ces deux quasiparticules peuvent se recombiner pour former une paire de Cooper. Par ce mécanisme le doublet de paires de Copper émis se distribue de manière cohérente en deux paires de Cooper chacune dans un contact supraconducteur différent. Ce mécanisme est favorable, car il est robuste envers le désordre et peut ainsi exister sur une large échelle de tensions. Au cours de cette thèse, j'ai montré que ces anomalies sont effectivement présentes pour des tensions appliquées correspondant à des énergies bien supérieures à l'énergie de Thouless. A contrario, les effets cohérents responsables de l'effet Josephson ac doivent être fortement atténués sur cette même échelle d'énergie, ce qui rend peu probable le mécanisme de mode-locking. La dépendance observée avec le champ magnétique et la température sont d'autres indications de l'existence du mode de quartet. Malheureusement, il n'existe pour l'instant, pas de théorie microscopique complète d'une telle tri-jonction pour fournir une argumentation incontournable. Néanmoins, une approche phénoménologique a été développée sur la base d'un modèle RSJ élargi. Celui-ci permet une estimation de l'influence des particularités du dispositif expérimental (voltage-/current-bias). La première partie de mon manuscrit (chapitre 1, 2, 3 et 4) présente une introduction, une description assez détaillée des concepts de supraconductivité mésoscopique utiles au reste du manuscrit ainsi qu'un état de l'art dans l'étude des jonctions Josephson couplées. Dans le Chapitre 8, je donne une conclusion du travail effectué et je propose des expériences complémentaires et des perspectives à long terme
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