Nano-refroidissement électronique à base de jonctions tunnel supraconductrices

par Sukumar Rajauria

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bernard Pannetier et de Hervé Courtois.

Soutenue en 2008

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .


  • Résumé

    Au cours des dernières anneés, le refroidissement des électrons par effet tunnel dans des jonctions hybrides composés de métal Normal - Isolant - Supraconducteur (N-I-S) a suscité de plus en plus l'attention. Son principe repose sur un effet tunnel sélectif en énergie en raison de la présence d'une bande interdite Delta dans la densité d'états du supraconducteur. Avec une tension de polarisation inférieure à l'énergie du gap, seuls les électrons de plus haute énergie peuvent traverser l'interface du métal normal par effet tunnel, laissant derrière eux les électrons de moindre énergie. Nous avons mesuré la conductance différentielle de jonctions S-I-N-I-S avec une grande résolution. Son analyse nous renseigne sur la température électronique du métal normal en fonction de la tension. Un modèle quantitatif est proposé qui inclut le couplage électron-phonon et la résistance dite de Kapitza, à l'interface avec le substrat. Avec ce modèle, nous avons réalisé une description détailleé du courant électronique et du flux de chaleur. Nous avons également montré que la température des phonons dans le métal normal baisse sensiblement au-dessous de la température du substrat. A très basse température (T < 200 mK) et à faible tension de polarisation, le courant d'Andreev cohérent en phase domine le courant des quasi-particules. En analysant quantitativement l'équilibre thermique dans la jonction S-I-N-I-S, nous avons démontré que le courant d'Andreev transporte de la chaleur. Cette contribution thermique chauffe les électrons du métal normal. Le refroidissement électronique à la tension de polarisation optimum (V ~ 2Delta/e) dans la jonction S-I-N-I-S est un problème bien connu mais qui reste en suspens. L'effet de refroidissement dans la jonction S-I-N-I-S est accompagné par l'injection de quasi- particules dans les électrodes supraconductrices. Nous avons proposé un modèle simple pour la diffusion de l'excès des quasi-particules dans l'électrode supraconductrice possédant un piège métallique. Le modèle de diffusion a une solution analytique qui prédit la température minimum de refroidissement susceptible d'e^tre atteinte.


  • Résumé

    In the recent years, nano-refrigeration using electron tunneling in hybrid Normal metal - Insulator - Superconductor (N-I-S) junctions has gained increasing attention. Its basic principle is the energy selective tunneling due to the presence of an energy gap in the superconductor density of states. With a sub-gap voltage bias, only the most energetic electrons can tunnel out of the normal metal, leaving behind the electrons with less energy. We have measured with a high resolution the differential conductance of S-I-N-I-S junctions, whose analysis gives us an access to the normal metal electronic temperature as a function of the voltage. A quantitative model is proposed, that includes the electron-phonon coupling and the Kapitza resistance at the interface with the substrate. With this model, we have achieved a thorough description of the charge and heat currents. We have also shown that the normal metal phonon temperature drops significantly below the substrate temperature. At very low temperature (T < 200mK) and low bias, the phase coherent Andreev current dominates the quasi-particle current. By analyzing quantitatively the heat balance in the S-I-N-I-S junction, we demonstrate that the Andreev current does carry heat. This thermal contribution heats the normal metal electrons, overriding over a large voltage range the tunneling-based cooling. The electronic cooling at an optimal bias (V ~ 2Delta/e) in a S-I-N-I-S junction is a known pending issue. Cooling effect in S-I-N-I-S junction is accompanied by the injection of hot quasi-particles in the S electrodes. We have proposed a simple model for the diffusion of excess quasi-particles in a superconducting strip with an external trap junction. The diffusion model has a complete analytic solution and predicts the minimum attainable temperature of the coolers.

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  • Détails : 1 vol. (149 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 82 réf.

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  • Cote : TS08/GRE1/0237/D
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