Statistique de photons d`une jonction tunnel déduite de mesures de

Statistique de photons d’une jonction tunnel
déduite de mesures de potentiel électrique à
l’aide d’un amplificateur paramétrique
Josephson
par
Jean Olivier Simoneau
Mémoire présenté au département de physique
en vue de l’obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)
FACULTÉ des SCIENCES
UNIVERSITÉ de SHERBROOKE
Sherbrooke, Québec, Canada, 3 décembre 2015

Le 3 décembre 2015,
le jury a accepté le mémoire de M. Jean Olivier Simoneau dans sa version finale.
Membres du jury
Professeur Bertrand Reulet
Directeur de recherche
Département de physique
Professeur Claude Bourbonnais
Membre interne
Département de physique
Professeur Michel Pioro-Ladrière
Président rapporteur
Département de physique

À Audrey-Ann Dumont

Sommaire
On présente dans ce mémoire la mesure de la statistique de photons des
fluctuations électromagnétiques micro-ondes d’une jonction tunnel placée à ultra-
basse température. En particulier, on déduit cettedite statistique en mesurant les
cumulants des fluctuations de courant générées par une jonction tunnel polarisée
en courant continu et photoexcitée par un signal haute fréquence. On utilise un
amplificateur paramétrique Josephson en tant que premier maillon de la chaîne
d’amplification en raison de son bruit près de la limite quantique. On développe
aussi un modèle pour tenir compte de sa saturation, celle-ci étant apparente
à des puissances de signal incident très faibles. C’est, à ma connaissance, la
première fois qu’un tel amplificateur est utilisé pour étudier la physique au sein
du bruit émis par un conducteur mésoscopique.
Les résultats mettent en évidence l’apparition d’un excès dans le quatrième
cumulant lorsque la photoexcitation s’effectue au double de la fréquence de
mesure. Un développement mathématique simple nous permet d’associer cet
excès à la statistique de photons, sous la forme d’une augmentation – à nombre
de photons fixe – de la variance du nombre moyen de photons contenus dans le
signal. C’est en fait une signature de l’émission de paires de photons corrélés
par la jonction tunnel photoexcitée.
Ces résultats font le pont entre ceux obtenus précédemment par notre groupe
de recherche quant aux cumulants d’ordre supérieur du bruit et ceux associés aux
parallèles entre l’optique quantique et les fluctuations de courant des dispositifs
mésoscopiques. [Gasse et al. PRL 111 , 136601 (2013) ;Forgues et al. Scientific
Reports 3 , 2869 (2013) ;Forgues et al. PRL 113 , 043602 (2014)] Ils dressent
un portait intéressant du bruit photoexcité en termes normalement associés à
l’optique quantique.
iii

Remerciements
D’abord, j’aimerais remercier le professeur Bertrand Reulet pour toutes les op-
portunités qu’il m’a offertes. Mes stages au sein son groupe de recherche ont été des
expériences uniques et formatrices, et ma maîtrise fut simplement emballante. Bertrand
est un de ces chercheurs qui prend le temps de prendre le temps pour ses élèves et qui
sait gérer son niveau de supervision pour bien encadrer un projet sans que l’élève ne se
sente accessoire. Je suis privilégié de travailler sous sa direction.
Je remercie aussi Stéphane Virally qui m’a épaulé dans les mesures et l’analyse, en
plus de me donner ses commentaires sur le présent mémoire. Je dois de plus souligner
le travail important que Christian Lupien effectue au sein de notre laboratoire ; sans
lui, on ne saurait pas pourquoi rien ne marche du premier coup et je serais encore en
train d’ajuster le paramp ! Je remercie aussi mes compatriotes de bureau, Jean-Charles
Forgues, Édouard Pinsolle et Marc Leclair, pour le support, l’aide et les discussions.
Merci aussi à tous les autres membres de notre grand groupe
1
, c’est grâce à l’ensemble
d’entre vous s’il y a une ambiance amicale et motivante au laboratoire. Salutations
particulières à mon amie Fatou, qui m’a appris à cuisiner la sauce guinard burhonk
comme une vrai mère sénégalaise ! Ba beneen yoon sama xarit ! Je veux aussi remercier
mes amis – du Bac et d’ailleurs – pour les bons moments qui permettent de mettre
le stress de l’école de côté. Merci aussi à mes parents, qui m’ont transmis le goût de
comprendre les choses, m’ont toujours supporté et m’ont motivé dans mes études.
Finalement, un énorme merci à mon amoureuse, Audrey-Ann, qui réussit à endurer
un physicien distrait avec une bulle à l’épreuve des balles depuis près de dix ans. Ce
mémoire t’est dédié, tu l’as mérité, je t’aime !
1 . Sam Bateau, Sam Houle, Karl, Gasse, Keyan, Anthoni, Jonathan, Fatou, Kevin et un
million de stagiaires.
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