Fluctuations de courant dans les nanostructures

D i r e c t i o n d e s S c i e n c e s d e l a Ma t i è r e
Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée
S e r vi c e d e P h ys i q u e S t a t i s t i q u e , M a g n é t i s m e e t S u p r a c o n d u c t i vi t é
Sujet n° 10 : Fluctuations de courant dans les nanostructures supraconductrices
mésoscopiques
Contact : François Lefloch, [email protected], 04 38 78 48 22
Durant ce stage qui peut être suivi d’une thèse, nous proposons de mesurer, à très basse
température (30 mK), les fluctuations de courant dans les nanostructures
supraconducteur/ métal normal /supraconducteur qui seront réalisées en salle blanche
par lithographie électronique et dépôt de matériaux en couche mince.
Dans ces nanostructures, les propriétés électroniques du métal sont modifiées par la
présence du métal supraconducteur. C’est la supraconductivité mésoscopique. Cet effet
est dû à la réflexion d’Andreev qui permet de transformer, près de l’interface, une paire de
Cooper du supraconducteur en deux électrons dans le métal. Les fonctions d’ondes des
deux électrons émis sont cohérentes en phase sur une longueur qui dépend des
mécanismes de décohérence. Cette longueur est de l’ordre de quelques microns à très
basse température. C’est pourquoi ces études doivent être menées sur des nano et
microstructures et à basse température (~100 mK). Les technologies nouvelles de
fabrication de nanostructures nous permettent maintenant, non seulement d’étudier les
propriétés de structures simples comme un fil normal connecté à un supraconducteur
mais plus généralement de structures complexes entièrement quantiquement cohérentes.
Ce genre d’étude rentre dans un cadre plus large de l’étude des circuits quantiques.
La grandeur consacrée pour décrire les propriétés électroniques de ce genre de structure
est la conductance. D’un point de vue formel, elle représente le premier moment de la
statistique des porteurs de charges (∆n) qui véhiculent le courant d’une électrode à
l’autre. Au laboratoire nous avons conçu et réalisé des dispositifs expérimentaux originaux
pour pouvoir mesurer des grandeurs plus complexes comme par exemple le bruit de
grenaille ou la densité d’états locale mesurée par STM. Le bruit de grenaille est donné par
l’amplitude des fluctuations de courant autour de sa valeur moyenne. Il représente le
deuxième moment de la statistique des porteurs de charge. L’intérêt d’une telle mesure
est qu’elle donne des informations plus précises que la conductance sur les phénomènes
de décohérences liés aux interactions électroniques.
A cause de la présence de deux supraconducteurs, les jonctions S/N/S sont le siège de
réflexions d’Andreev multiples (MAR). Le nombre de réflexions d’Andreev est donné par
le rapport entre la valeur du gap du supraconducteur et la tension appliquée. Il est
possible de montrer que le bruit de grenaille est proportionnel à ce nombre de réflexions
d’Andreev et donc est bien plus important que dans les jonctions sans supraconductivité.
Ces résultats ont été démontrés expérimentalement grâce au travail de thèse de C.
Hoffmann (2003) puis au cours d’un travail post-doctoral. Ce qui nous intéresse plus
particulièrement maintenant concerne l’effet des interactions électroniques qui
interrompent ces processus de MAR et qui sont, à basse température, les principales
sources de décohérence. Le système expérimental qui sera utilisé est constitué d’un
SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) monté dans un cryostat à dilution
permettant de mesurer de très faibles courants sur des échantillons de faible impédance.
L’étudiant(e) sera donc amené, à fabriquer des nanostructures en salle blanche en
utilisant les différentes techniques de dépôts de matériaux en couches minces, de
lithographie optique et électronique et de gravure. Il ou elle sera également en charge de
la mesure de la conductance et du bruit de grenaille de ses échantillons à très basse
température en utilisant le cryostat à SQUID.
Régime de décohérence
Régime MAR
1µ
Shot noise in mesoscopic conductors, Ya. M. Blanter and M. Büttiker, Physics Report
336 (2000)
Mesoscopic transition in the shot noise of S/N/S junctions, C. Hoffmann et al, Phys.
Rev. B 70 (2004) 180503