NanoStructures à la NanoSeconde

Axe principal: EMQ
NanoStructures à la NanoSeconde
http://chercheurs.lps.u-psud.fr/NS2/research.htm
Laboratoire de Physique des Solides
Bât. 510, Université Paris Sud, 91405 Orsay
http://www.lps.u-psud.fr/
Contact C’nano de l’équipe
Julien Gabelli
Responsable d’équipe :
Marco Aprili
[email protected]
Membres permanents de l’équipe :
Julien Gabelli
[email protected]
Charis Quay
[email protected]
Bertrand Reulet
[e-mail]
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• Activités scientifiques de l’équipe :
Le groupe NanoStructures à la Nanoseconde (NS2) s’intéresse aux propriétés dynamiques
des conducteurs mésoscopiques. Le transport électronique dans ces conducteurs dépend
des différentes échelles de temps mises en jeu: temps de diffusion, temps de relaxation,
temps de couplage. Il est possible de réaliser des circuits électroniques ou des
nanostructures et d’utiliser des matériaux pour lesquels ces temps sont dans la gamme des
microondes. Des d’expériences microondes (réflectivité, transport photo-assisté, bruit),
permettent alors de mettre en œuvre et de sonder une thermodynamique hors d’équilibre
d’ordres électroniques (supraconductivité, ferromagnétisme, …) ou de modes collectifs
(plasmons, magnons …), leur coexistence et leur couplage. L’effet de proximité
supraconducteur en est un exemple : les systèmes hybrides supraconducteur/métal normal
ou supraconducteur/ferromagnétique permettent d’étudier l’influence mutuelle entre
différents états fondamentaux de la matière condensée. Ces nano-conducteurs constituent
alors des briques élémentaires qui, contrôlées dynamiquement par les microondes, peuvent

générer des états électroniques inconnus dans des matériaux élémentaires à l’équilibre
thermodynamique. Inversement ces nano-conducteurs peuvent générer un rayonnement
microonde qui, sous certaines conditions, peut porter l’empreinte de d’ordre électronique
sous-jacent. Le champ microonde exotique généré devient alors l’objet d’étude.
• Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des
nanosciences :
Refroidissement de la phase supraconductrice dans une jonction Josephson
Dans des jonctions Josephson de taille
millimétrique, il est possible de coupler
fortement la phase supraconductrice avec les
modes électromagnétiques de la jonction
même. L’interaction entre photons et phase
modifie profondément la dynamique de l’effet
Josephson. En particulier, grâce à des
processus Stokes et anti-Stokes, les photons
permettent d’amplifier ou d’amortir les
oscillations de la phase. Nous avons observé,
par des mesures de la distribution du courant
d’échappement, que ces processus augmentent
ou réduisent la température effective de la
phase de façon similaire à l’effet de la pression
de radiation sur un miroir oscillant. Par
conséquent, « refroidissement » ou « chauffage
» de la phase sont réalisés, respectivement, en
irradiant la cavité dans les bandes latérales
négatives ou positives.
Dynamique haute fréquence des jonctions SNS
Nous avons étudié la dynamique de jonctions
métal supraconducteur – métal normal - métal
supraconducteur (SNS) en combinant des
mesures en courant continu et des mesures
hyperfréquences. Les effets d’une excitation
microonde sur le courant critique et le courant
de re-piégeage ont montré que ces derniers
sont respectivement reliés aux processus de
relaxation élastique et inélastique.

Troisième moment des fluctuations quantiques du courant
Nous avons mesuré le troisième moment des
fluctuations de courant à haute fréquence (f = 6
GHz) et très basse température (T = 20 mK)
dans une jonction tunnel. Lorsqu’une différence
de potentiel V est appliquée aux bornes de la
jonction, le courant électrique est porté par le
passage aléatoire d’électrons dont la fonction
d’onde possède une largeur temporelle τ =
h/eV. Le passage aléatoire des charges
électriques entraîne des fluctuations de courant,
on parle de bruit de grenaille. Lorsque la
fréquence f de mesure des fluctuations est
supérieure à 1/τ et à la fréquence
caractéristique des fluctuations thermiques, le
régime quantique est atteint: hf >> eV, k
B
T.
Dans ce régime, la mesure du troisième
moment des fluctuations de courant permet
d’aborder la question fondamentale de la
mesure d’un signal électrique quantique par un
système de détection classique.
Comptage de charges dans un processus d'avalanche
Nous avons caractérisé les fluctuations de
courant dans une diode à avalanche au delà de
sa tension seuil. Ces mesures ont permis
d'extraire les 6 premiers cumulants de la
distribution de courant. A l'aide de lois de
puissances reliant les différents cumulants,
nous avons déduit la statistique du mécanisme
qui gouverne le processus d'avalanche. Cette
statistique, à la manière des tremblements de
terre, suit une lois de puissances dont l'
exposant est caractéristique de phénomènes
critiques.

Dynamique du spin et de la phase supraconductrice
A l’aide d’une jonction Josephson de type
supraconducteur – ferromagnétique –
supraconducteur, nous avons étudié le
couplage direct entre le paramètre d’ordre
magnétique et le supercourant singulet. Nous
avons détecté la résonance des ondes de spin
et mesuré sa relation de dispersion. De part sa
sensibilité, le transport quantique pourrait être
une alternative aux techniques de détection en
cavité résonante.
Bifurcation et relaxation de la phase dans une jonction Josephson
La jonction Josephson est l’archétype d’un
oscillateur non linéaire, elle peut présenter un
effet de bi stabilité. Nous avons montré, à l’aide
d’une expérience de type pompe-sonde, qu’une
jonction Josephson peut « sauter » vers un état
métastable inaccessible en régime stationnaire.
En mesurant la probabilité de saut, nous avons
directement déterminé le temps de relaxation de
la phase supraconductrice.
Susceptibilité de bruit dans un conducteur quantique
Nous avons mesuré la réponse dynamique des
fluctuations quantiques du courant dans une
jonction tunnel. Cette expérience constitue une
étape préliminaire indispensable à la mesure du
troisième moment des fluctuations de courant.
En effet la susceptibilité de bruit a permis de
caractériser l’effet de l’environnement
électromagnétique sur la mesure des moments
d’ordre supérieurs. Nous avons ainsi montré
que le bruit mesuré à la fréquence f dans le
régime quantique (hf >> k
B
T,eV) répond en
phase mais de manière non adiabatique à une
excitation de fréquence f
0
> f.
Sample: L. Spietz, Yale University

• Programme de recherche :
Le programme de recherche de l’équipe NS2 est articulé suivant deux axes :
(i) l’étude de la dynamique du transport dans des structures hybrides
- Etude de la dynamique du spin dans des structures de type vanne de spin
métal normal / ferromagnétique / normal (FNF).
- Etude de l’effet d’une texture magnétique sur l’ordre supraconducteur : est-il
possible de générer un état supraconducteur de type triplet à l’aide d’une
paroi magnétique contrôlée dynamiquement ? Ce projet nécessitera à moyen
terme le développement de sondes locales (microscope à force atomique /
contact atomique).
(ii) l’étude de l’interaction entre conducteur quantique et rayonnement
- Etude de la dynamique de la phase supraconductrice dans une jonction
Josephson.
- Contrôle dynamique des fluctuations quantiques du courant dans une jonction
tunnel.
- Etude du champ de photons optiques émis par une jonction tunnel nano-
structurée (plasmonique).
• Références :
[1] Sideband cooling of the Josephson phase. J. Hammer, M. Aprili, I. Petkovic.
arXiv:1010.5983 (2011).
[2] Ferromagnetic resonance with a magnetic Josephson junction, S E Barnes , M
Aprili , I Petkovic and S Maekawa, Supercond. Sci. Technol. 24 024020 (2011).
[3] Classical and Quantum Theory of Photothermal Cavity Cooling of a Mechanical
Oscillator. J. Restrepo, J. Gabelli, C. Ciuti, I. Favero (2011).
[4 ] Quasiparticle trapping in three terminal ferromagnetic tunneling devices, R.
Latempa, M. Aprili and I. Petkovic, J. Appl. Phys. 106 (10), 103925 (2009).
[5] Direct dynamical coupling of the spin modes and singlet Josephson supercurrent
in ferromagnetic Josephson junctions, I. Petkovic, M. Aprili, F. Beuneu, S. Barnes and
S. Maekawa, Phys. Rev. B 80 (22), 220502 (2009).