NanoStructures à la NanoSeconde
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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 [email protected] _________________________________________________________________________ • 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, kBT. 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 Sample: L. Spietz, Yale University 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 >> kBT,eV) répond en phase mais de manière non adiabatique à une excitation de fréquence f0 > f. • 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 nanostructurée (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). [6] Evidence for Two Time Scales in Long SNS Junctions, F. Chiodi, M. Aprili and B. Reulet, Phys. Rev. Lett. 103, 17702 (2009). [7] Full Counting Statistics of Avalanche Transport: an Experiment, J. Gabelli and B. Reulet, Phys. Rev. B 80, 161203(R) (2009). [8] Quasiparticle Trapping In Three Terminal Ferromagnetic Tunneling Devices, R. Latempa, M. Aprili, I. Petkovic, J. of App. Phys. 106, 1 (2009). [9] Phase dynamics of ferromagnetic Josephson Junctions, I. Petkovic and M. Aprili, Phys. Rev. Lett. 102, 157003 (2009). [10] High frequency Dynamics and Third Cumulant of Quantum Noise, J. Gabelli and B. Reulet, J. Stat. Mech. P01049 (2009). [11] Dynamics of Quantum Noise in a Tunnel Junction under ac Excitation, J. Gabelli and B. Reulet, Phys. Rev. Lett. 100, 026601 (2008). [12] Le bruit dissymétrique du courant électrique, J. Gabelli et B. Reulet, Images de la Physique 2007 (2008). [13] The Noise Susceptibility of a Photo-excited Coherent Conductor , J. Gabelli and B. Reulet [arXiv:0801.1432] . [14] The Noise Susceptibility of a Coherent Conductor, J. Gabelli and B. Reulet, Proceedings of SPIE, Fluctuations and Noise in Materials, 6600-25 (2007).
