Projet ANR-12-BS04-0016 – MASH : Etats de Majorana et d’Andreev dans des circuits hybrides combinant des matériaux magnétiques et supraconducteurs
Programme : Blanc - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (Blanc SIMI 4)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Marcelo GOFFMAN (Service de Physique de l’Etat Condensée (SPEC), CEA-Saclay)
Partenaires : Service de Physique Statistique, de Magnétisme et de Supraconductivité; Laboratoire de Physique des Solides; Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine; Service de Physique de l'État Condensé
Montant : 690832.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Etats de Majorana et d’Andreev dans des circuits hybrides combinant des matériaux magnétiques et supraconducteursLe supercourant établi entre deux supraconducteurs reliés par un lien mésoscopique est principalement porté par des états quasi-particulaires localisé :, les « états d'Andreev »  (ABS). Un des objectifs de ce projet est d'explorer de nouveaux phénomènes fondamentaux récemment prédit lorsque le degré de liberté de spin joue un rôle majeur dans les ABS. Ces phénomènes ouvrent un champ de recherche à mi-chemin entre les domaines de l'électronique de spin et des dispositifs supraconducteurs.
Nouveaux phénomènes dans des dispositifs supraconducteurs hybridesL'objectif principal de ce projet est de comprendre la nature particulière des ABS dans une variété de nouveaux circuits hybrides. En combinant les matériaux appropriés, nous allons étudier un large éventail des phénomènes physiques sans précédent :1. La dynamique des ABS à la fois dans les métaux diffusives et les contacts atomiques. En particulier, identifier les mécanismes de relaxation et de décohérence des 'ABS dans les contacts atomiques, afin d’évaluer leur utilisation comme qubits .2 . Explorer le régime dans lequel l'effet Kondo est en compétition avec l'appariement supraconducteur dans un point quantique à base de nanotubes de carbone.3 . Comprendre comment les corrélations supraconductrices se propagent dans des matériaux ayant un couplage spin-orbite, et d'identifier les nouvelles propriétés desABS  dans les jonctions Josephson fabriqués avec ces matériaux.4 . Rechercher des fermions de Majorana .5 . Explorer la nature des ABS dans la supraconductivité de type triplet induite par effet de proximité.
MéthodesPour étudier cette variété de structures hybrides, les outils qui ont été développés par plusieurs des partenaires seront mises en œuvre :-En théorie, l’outil traditionnel pour investiguer la supraconductivité dans jonctions mésoscopiques est la méthode des fonctions de Green dans l'espace de Nambu et la résolution des équations de Bogoliubov de Gennes . D'autres difficultés se posent lorsque l'interaction de Coulomb joue un rôle , comme dans les nanotubes de carbone, et peut-être également dans fils quantiques .Des techniques numériques les plus avancés ( groupe de renormalisation numérique , Quantum Monte Carlo ) seront utilisés ou développées afin de répondre à des questions spécifiques liées à la présente proposition.- La simple observation d'un supercourant constitue en soi une preuve de la propagation des corrélations supraconductrices dans tout le système. Cette mesure sera donc la première étape pour tous les nouveaux systèmes hybrides Propriétés d'équilibre des ABS peuvent être accessibles soitPar spectroscopie tunnel :Le conducteur cohérent est relié à une fourchette supraconductrice formant une boucle et une sonde supraconductrice est faiblement connectée à sa partie centrale. La mesure de la conductance différentielle à basse température de par cette sonde à effet tunnel donne accès à la densité d'états locale.Par des mesures de la relation courant - phase et de sa dérivée :La jonction hybride est placé en parallèle avec une jonction Josephson classique ayant un courant critique beaucoup plus grande. Le courant est proportionnel à la dérivée de l'énergie des ABS par rapport à la phase supraconductrice.- La dynamique des structures hybrides est sondée par l'intermédiaire de signaux haute fréquence. Un procédé général consiste à placer la jonction hybride en parallèle avec une inductance (soit un vrai, ou une jonction Josephson) dans lequel un courant alternatif conduit à une modulation de la différence de phase à travers le lien faible.
Résumé de la soumission : Le supercourant qui s’établit entre deux supraconducteurs connectés par un lien mésoscopique est essentiellement porté par des états localisés de quasi-particules, les « états liés d’Andreev ».Le premier objectif de ce projet est d’explorer de nouveaux phénomènes fondamentaux qui sont prédits lorsque le degré de liberté de spin joue un rôle important pour ces états liés. Ces phénomènes ouvrent un nouveau champ de recherche à mi-chemin entre le domaine de la spintronique et celui des dispositifs supraconducteurs. Nous explorerons notamment des liens faibles constitués par des nanofils semiconducteurs à fort couplage spin-orbite (tels que InAs) sous un champ magnétique axial. Ces systèmes suscitent actuellement une forte activité de par le monde, aussi bien théorique qu’expérimentale, car il est prédit que des états liés singuliers s’y forment qui se comporteraient comme des fermions de Majorana, une sorte de « particule élémentaire » qui reste insaisissable en physique des hautes énergies. Au-delà de cette quête de fermions de Majorana, ce projet considère d’autres propriétés des systèmes combinant magnétisme et supraconductivité. Nous explorerons des liens faibles faits d’aimants semi-métalliques et d’hétérostructures ferromagnétiques non-colinéaires pour lesquels on attend un type de supraconductivité inhabituel avec des paires de Cooper de spin total S=1 au lieu de S=0. Finalement, nous explorerons le spectre des états liés d’Andreev dans des points quantiques où le couplage Kondo et la supraconductivité sont en compétition.Le deuxième objectif du projet est la dynamique des états liés d’Andreev, un domaine qui reste relativement inexploré malgré l’existence de plusieurs propositions pour utiliser ces états comme base pour une nouvelle classe de bits quantiques. En particulier nous chercherons à comprendre l’observation récente et inattendue de dissipation à basse-fréquence dans des liens diffusifs, ainsi qu’à déterminer les temps de relaxation de l’énergie et de la phase des états d’Andreev dans des contacts atomiques. Enfin, il est prédit que des systèmes Josephson où coexistent effet Zeeman et spin-orbite ont également une réponse dynamique intéressante qui couple les degrés de liberté supraconducteur et magnétique.Deux grands groupes expérimentaux experts en physique mésoscopique et en supraconductivité et deux groupes de théoriciens aux compétences complémentaires, s’impliquent fortement (465 personnes-mois) dans ce projet ambitieux.
Résultats : Trouvez ci-dessous une liste des sujets traités au cours de cette période. Les résultats sont détaillés dans les publications correspondantes ( voir les références dans la partie production scientifique )
Spectroscopie des ABS dans les contacts atomiques
Spectroscopie tunnel d'un quantum dot (nanotubes de carbone) relié à un supraconducteur
Dépendance en phase de le  spectre Andreev dans une jonction SNS diffusive : réponse statique et dynamique
Relation courant-phase dans les nanotubes de carbone
Effet Josephson AC dans les jonctions Josephson topologiques ,
Dynamique des états de type  Majorana dans une jonction Josephson topologique
Corrélations de spin non locales induits par un supraconducteur
Courant de triplet à long distance superharmonique dans une jonction Josephson diffusive
Structure de bande d'excitations magnétiques dans la phase d’un vortex d'un ferromagnétique supraconducteur
Jonctions de type Supraconcuteur/Ferromagnétique/Supraconducteur
Perspectives : Continuer à développer les objectifs du projet tel comme nous l’avons programmé.
Publications et brevets : Liste de publications:
Exciting  Andreev  pairs  in  a  superconducting  atomic  contact,  L.  Bretheau,  Ç.  Ö.  Girit,  H.,Pothier, D. Esteve, and C. Urbina,  Nature 499, 312-315, (2013).
Tunneling spectroscopy of a single quantum dot coupled to a superconductor: From Kondo ridge to Andreev bound states, Pillet J-D, Joyez P, Žitko R, et Goffman M. F., Phys. Rev. B 88, 045101 (2013).
Dissipation and Supercurrent Fluctuations in a Diffusive Normal-Metal–Superconductor Ring B.Dassonneville, M. Ferrier, S. Guéron, and H. Bouchiat Phys. Rev. Lett. 110, 217001 (2013). 
Phase-dependent  Andreev  spectrum  in  a  diffusive  SNS  junction:  Static  and  dynamic  current response  M. Ferrier, B. Dassonneville, S. Guéron, and H. Bouchiat Phys. Rev. B 88, 174505 (2013).
Ac  Josephson  effect  in  topological  Josephson  junctions,  D.  M.  Badiane,  L.  I.  Glazman  M. Houzet, J. S. Meyer, envoyé à C.R. Physique.
Dynamics of Majorana States in a Topological Josephson Junction, M. Houzet, J. S. Meyer, D. M. Badiane, L. I. Glazman, Phys. Rev. Lett. 111, 046401 (2013).
Nonlocal  spin  correlations  mediated  by  a  superconductor, Taewan  Noh,  M.  Houzet,  J.  S. Meyer, V. Chandrasekhar, Phys. Rev. B 87, 220502(R) (2013).
Superharmonic  long-range  triplet  current  in  a  diffusive Josephson  junction,  C.  Richard,  M. Houzet, J. S. Meyer, Phys. Rev. Lett. 110, 217004 (2013).
Band  structure  of  magnetic  excitations  in  the  vortex  phase  of  a  ferromagnetic superconductor, Bespalov, A.A.  and Buzdin A. I,  Phys. Rev. B 87, 094509 (2013).
On  the  theory  of  the  proximity  effect  in  atomic  scale superconducting/normal  metal multilayered  structures,  Montiel  X.  and  Buzdin  A.  I.,  Supercond. Sci. Thechnol.  26  085011 (2013).
From  fractionally  charged  solitons  to  Majorana  bound  states  in  a  one-dimensional interacting model, D. Sticlet, L. Seabra, F. Pollmann, and J. Cayssol, submitted to Phys. Rev. B.