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Comment la phase supraconductrice peut modifier le moment magnétique d’une boîte quantique


Un conducteur mésoscopique cohérent connecté à des électrodes supraconductrices est traversé par un supercourant, fonction périodique de la différence de phase entre les deux supraconducteurs. L’amplitude et la dépendance en phase de ce supercourant sont riches en information sur la nature et la symétrie des états quantiques confinés dans la nanostructure. Dans le cas où cette dernière est constituée par une boite quantique il est possible d’étudier la situation originale où la supraconductivité de proximité entre en compétition avec un autre type de corrélation électronique : l’effet Kondo

En effet, en modulant finement le couplage entre la boite quantique et les électrodes de mesure on peut atteindre un régime d’effet Kondo où le spin du dernier niveau électronique occupé dans la boîte est écranté par ceux des électrodes en constituant un état singulet à N particules extrêmement corrélé. Cet effet apparait pour des températures inférieures à une température caractéristique, la température Kondo TK, et donne lieu à une résonance dans la conduction de la boite quantique dont la largeur est directement reliée à TK. Pour une boîte reliée à des électrodes supraconductrices, cet effet Kondo subsiste lorsque le gap supraconducteur Δ n’excède pas kBTK. Dans ce cas, effet Kondo et effet Josephson coopèrent avec une forte augmentation du supercourant (« jonction 0 »). Dans le cas contraire le moment magnétique de la boite quantique n’est plus écranté, ce qui conduit à une réduction et un changement de signe du supercourant, on parle alors de « jonction π ».

Figure : Gauche : Image en microscopie électronique de l’échantillon mesuré (CNT : nanotube de carbone, JJ : jonction Josephson). Droite : relation courant-phase à proximité de la transition (ligne continue verte), comparée à la prédiction théorique QMC (ligne noire). Les lignes pointillées sont des guides pour les yeux représentant la contribution du singulet (jonction 0, en bleu) et du doublet (jonction π, en rouge).

Une équipe du Laboratoire de Physique des Solides a pu mettre en évidence pour la première fois la modulation par la phase supraconductrice de l’état quantique du spin électronique de la boite quantique. Cela se produit dans le régime de compétition maximale entre effet Kondo et effet de proximité supraconducteur (Δ ∼ kBTK) et à des conséquences spectaculaires sur la relation entre le supercourant et la différence de phase supraconductrice : la relation courant-phase. En effet la relation courant-phase devient composite, à la fois de type π et 0 (voir figure) ! La mesure de cet effet a été réalisée, en insérant un nanotube de carbone, qui agit comme une boite quantique, dans un SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), et en mesurant l’échantillon obtenu à très basse température. La mesure de la relation courant-phase se fait alors en mesurant le supercourant du SQUID, la différence de phase étant contrôlée par un champ magnétique. Une comparaison détaillée a pu être faite avec les prédictions en collaboration avec des théoriciens de Toulouse et de Aachen. Cette expérience constitue la démonstration de la transition quantique entre états magnétiques de la boite quantique pilotée par la phase supraconductrice et ouvre la voie à des mesures de relations courant-phase dans d’autres systèmes à fortes corrélations électroniques.

Référence :
Manipulating the magnetic state of a carbon nanotube Josephson junction using the superconducting phase
R. Delagrange, D. J. Luitz, R. Weil, A. Kasumov, V. Meden, H. Bouchiat, R. Deblock.
Phys. Rev. B 91, 241401(R) (2015).

Contacts :
Richard Deblock, Hélène Bouchiat