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Un nouveau régime de transport électronique dans les jonctions Josephson irradiées


Des chercheurs du LPS et leurs collaborateurs ont identifié expérimentalement un nouveau régime de conduction électrique dans les jonctions Josephson éclairées par un rayonnement micro-ondes. Les chercheurs ont découvert que les micro-ondes de haute fréquence et haute puissance modifient le transport à travers la jonction d’une manière différente de celle du cas antérieurement connu des micro-ondes de faible puissance. Une jonction Josephson apparait lorsqu’un matériau non supraconducteur (un « lien faible ») sépare deux supraconducteurs tout en préservant la possibilité à un supercourant de se propager. Récemment, ce type de jonctions a été étudié comme hôte d’un nouveau type de qubit (le support d’information pour l’informatique quantique), appelé qubit d’Andreev, manipulable par le rayonnement micro-ondes. Ce travail montre un nouvel effet du rayonnement sur la jonction Josephson, et a de ce fait des implications importantes pour le calcul quantique basé sur les qubits d’Andreev. Par ailleurs cette étude participe à la compréhension profonde de la nature du transport quantique dans les jonctions Josephson diffusives.

Les effets de l’absorption micro-ondes sur les propriétés de transport des jonctions Josephson diffusives sont au cœur du domaine du transport quantique. À basse température, les supraconducteurs sont incapables d’absorber une énergie de rayonnement micro-ondes plus petite que le gap du supraconducteur. Cependant, dans une jonction Josephson, le gap est réduit et le rayonnement micro-ondes peut être absorbé. La théorie bien acceptée d’Eliashberg prédit que l’absorption des micro-ondes ne modifie que l’occupation des quasi-particules responsables du transport de charge - les quasiparticules changent d’état, mais leur spectre d’énergie sous-jacent est identique.

L’équipe de chercheurs a décidé d’étudier ce qui se passe dans le régime de transport hors équilibre qui se produit lorsqu’une jonction Josephson est irradiée par des micro-ondes haute puissance et haute fréquence, appelé par la suite régime non adiabatique. L’étude d’un tel régime requiert des conditions expérimentales subtiles. Pour mener à bien leurs expériences, les chercheurs ont dû mettre au point une technique de spectroscopie Josephson AC résolue en harmonique. Cela leur a permis d’accéder au contenu harmonique de la relation courant-phase sous un rayonnement micro-ondes et donc de la reconstruire. Qu’est-ce que cela signifie en pratique ? Premièrement, les chercheurs ont appliqué une tension continue aux bornes d’une jonction Josephson à base d’argent (le conducteur normal) et de Niobium (les électrodes supraconductrices)(voir figure). Cela induit un courant alternatif, appelé rayonnement Josephson AC, qui a été mesuré. L’étude de l’amplitude et de la fréquence du rayonnement Josephson permet de déduire comment le courant varie avec la différence de phase supraconductrice au travers de la jonction (la « relation courant-phase »). Avec cette approche, ils ont constaté que, lorsque la jonction est éclairée par des micro-ondes de fréquence et d’amplitude suffisamment élevées, des harmoniques d’ordre supérieur apparaissent dans le rayonnement émis, à 2, 3,…, n fois la fréquence de base. Ces harmoniques correspondent à des distorsions de la relation courant-phase.

En combinant les expériences avec des travaux théoriques, les chercheurs ont pu révéler et comprendre cet état particulier non-équilibre. Ils ont constaté que le rayonnement micro-ondes entrant modifie non seulement l’occupation des quasi-particules (voir figure (b)) - comme dans le cas de basse puissance et de fréquence décrit par la théorie d’Eliashberg - mais le spectre d’énergie de la jonction elle-même. Les changements du spectre d’énergie modifient alors la relation courant-phase, ce qui modifie les harmoniques du rayonnement Josephson AC.

Les chercheurs travaillent maintenant sur l’application de cette nouvelle technique de mesure sensible pour comprendre l’effet du champ électrique sur les jonctions Josephson - un phénomène déjà observé mais à ce jour toujours non compris.

Figure : (a) Image par microscopie électronique à balayage d’une Jonction Josephson diffusive Supraconducteur(Nb)/métal normal (Ag)/ Supraconducteur(Nb). (b) Carte couleur de la densité d’états normalisée en fonction de l’énergie et de la phase pour une jonction diffusive longue. Les flèches verticales pleines (en pointillés) représentent les transitions inélastiques à forte (faible) probabilité. Les cercles gris (bleu) représentent les quasi-particules de type électrons (trous).

Référence

Nonadiabatic dynamics in strongly driven diffusive Josephson junctions
J. Basset, M. Kuzmanovic, P. Virtanen, T. T. Heikkilä, J. Estève, J. Gabelli, C. Strunk, and M. Aprili
Physical Review Research 1, 032009(R) (2019)
doi:10.1103/PhysRevResearch.1.032009

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Julien Basset