Projet ANR-12-BS10-0007 – NANOQUARTETS : Production de Quartets d'Electrons dans des Bijonctions Josephson
Programme : Blanc - SIMI 10 - Nanosciences (Blanc SIMI 10)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Régis MÉLIN (Institut Néel, CNRS)
Partenaires : Centre de Physique Théorique; Laboratoire Pierre Aigrain; Institut Nanosciences et Cryogénie; Laboratoire public; Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Énergies
Montant : 511000.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : .Emission de quartets comme paires de Cooper corrélés dans des bi- ou trijonctions Josephson.Une bi- ou trijonction est un élément de circuit quantique généralisant à 3 contacts les classiques jonctions Josephson. Il s'agit d'un objet nouveau dont le potentiel fondamental et appliqué est très important : corrélation de paires de Cooper, intrication quantique, photonique microonde. Toute la physique des jonctions Josephson est à refaire avec ce système possédant de nouveaux degrés de liberté qu'il est possible de contrôler.
.Datection et caractérisation, expérimentale et théorique, de quartets d'électrons.Le projet repose sur un socle de travaux préliminaires très solide, tant du point de vue expérimental que théorique. Le premier enjeu est une analyse poussée et une interprétation théorique des anomalies de transport V(I) dans la trijonction à 3 terminaux supraconducteurs. Deux variables de courant (et de potentiels ou de phase) sont couplées. Un second enjeu est une mesure de la cohérence de phase et de la dépendance courant-phase des quartets, dans l'un ou l'autre des systèmes expérimentaux à l'étude. On peut procéder par réflectométrie LC ou bien en généralisant les SQUIDS à ce système plus complexe. Le troisième enjeu consiste à utiliser les quartets et résonances d'ordre plus élevées comme source non-linéaire de photons microondes corrélés : ce domaine de l'amplification paramétrique et de l'optique microonde est en plein essor actuellement.Les enjeux théoriques préparent et accompagnent les objectifs expérimentaux : étude diagrammatique du transport hors équilibre, descriptions phénoménologiques basées sur une relation courant(s)-phase(s).
.Approches expérimentales et théoriques pour l'étude des quartets et résonances multipaires.Théorie : méthodes de transport électronique hors équilibre (fonctions de Green de Keldysh), étude de circuits classiques contenant une bijonction.Expérience : transport Josephson dc dans des structures à 3 terminaux, mesure de courants par SQUIDS. Réflectométrie ac en cavité microonde
Résumé de la soumission : Des corrélations à quatre électrons seront créées dans des bijonctions Josephson formées par deux jonctions séparées par une distance plus petite que la longueur de cohérence. En plus de l'effet Josephson habituel dans chaque jonction, des processus d'Andreev non-locaux entre les deux jonctions produisent un transfert simultané de deux paires (un quartet non local), une de chaque côté de la bijonction. Le courant de quartet dépend de la somme des différences de phase de chaque jonction. Ce projet vise à créer et détecter de tels quartets non-locaux par des mesures de transport, accroître la compréhension théorique de ce phénomène et modéliser les expériences. Les échantillons supraconducteurs auront trois terminaux de courant et mettront en jeu ou bien des jonctions métalliques, ou bien des jonctions réglables formées de points quantiques ménagés dans un seul nanotube de carbone. Les deux types de dispositifs sont déjà disponibles au laboratoire, ou seront facilement fabriqués sur le modèle d'échantillons existants. La prédiction la plus frappante est celle d'un courant Josephson continu, dû aux quartets, même en présence de tensions appliquées aux deux jonctions, pourvu qu'elles soient opposées. La détection de cette résonance de quartet sera effectuée ou bien par des mesures directes I(V), ou bien par l'observation de marches de Shapiro. Un deuxième ensemble d'expériences vise à détecter la dépendance du courant de quartet avec la somme des phases des deux jonctions. Ceci implique une généralisation du principe du SQUID, par exemple avec deux boucles et trois terminaux. Toutes ces expériences révèleront la charge 4e des quartets. Enfin, un sujet plus exploratoire est celui de l'intrication à quatre électrons induite par la formation de quartets. L'ensemble du projet repose sur : i) un socle theorique solide ; ii) des échantillons déjà existants;  iii) des dispositifs expérimentaux mis au point pour des mesures de transport à trois terminaux et des corrélations qui lui sont associées. Quelques résultats prometteurs, tant du côté théorique qu'expérimental, ont déjà été obtenus dans des études très préliminaires, assurant l'observation future de quartets d'électrons dans des bijonctions Josephson. Au-delà de telles expériences, une généralisation à des réseaux de jonctions Josephson ou de grains mésoscopiques offrirait un vaste champ de recherches et d'applications potentielles, du fait du couplage non-trivial des phases, et de la coexistence entre transport dissipatif et non-dissipatif, une nouveauté en Supraconductivité.
Résultats : .Théorie : calcul non perturbatif des résonances de quartets à des potentiels commensurables, pour des bijonctions à double dot ou métalliques balistiques.
Expérience : détection des 3 modes de quartets dans une trijonction métallique diffusive, avec des tensions plus grandes que l'énergie de Thouless, ce que seuls les quartets peuvent expliquer.
Perspectives : .La bi- ou trijonction Josephson st un nouvel élément de circuit dans lequel coexistent les deux signatures de l'effet Josephson, continu (Jdc) et alternatif (Jac) qui sont incompatibles dans des jonctions simples gouvernées ou bien par la phase (Jdc) ou par la tension (Jac). Ceci implique de revisiter toute la physique Josephson des jonctions tunnel aux jonctions métalliques ou contacts ponctuels (et points quantiques); et permet d'envisager des applications en termes d'intrication quantique et de corrélations de photons microondes. un défi expérimental est de contrôler indépendamment (notamment dans des géométries SQUID) les deux variables «potentiels« et «phase« dont dépend la physique des quartets et autres résonances multipaires. Un défi technique est de calculer les caractéristiques V(I) pour des potentiels quelconques et pas seulement commensurables.
Publications et brevets : 1. Multipair Josephson resonances in a biased all-superconducting bijunction (T. Jonckheere, J. Rech, T. Martin, B. Douçot, D. Feinberg, R. Mélin, Phys. Rev. B, sous presse)
2. Subgap structure in the conductance of a 3-terminal Josephson junction (A. Pfeffer, J.E. Duvauchelle, H. courtois, R. Mélin, D. Feinberg, F. Lefloch, en préparation)