Dynamics of Andeev states in a normal metal-superconductor ring : supercurrent fluctuations and spectroscopy of the minigap

par Bastien Dassonneville

Thèse de doctorat en Physique des solides

Sous la direction de Hélène Bouchiat.

Soutenue le 13-01-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Physique de la Région Parisienne (....-2013) , en partenariat avec Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Marco Aprili.

Le jury était composé de Hélène Bouchiat, Marco Aprili, Jérôme Cayssol, Hervé Courtois, Cristian Urbina, Mikhail Feigel'man.

Les rapporteurs étaient Jérôme Cayssol, Hervé Courtois.

  • Titre traduit

    Dynamique des états d'Andreev dans un anneau hybride métal normal-supraconducteur : fluctuations du supercourant et spectroscopie du minigap


  • Résumé

    Une jonction SNS composée de deux supraconducteurs (S) séparés par un métal normal (N) est parcourue par un courant non-dissipatif dont l'amplitude dépend de la différence de phase entre les deux supraconducteurs. Les propriétés à l'équilibre de ce système ont été récemment explorées et sont aujourd’hui bien comprises. La dynamique des jonctions SNS est toutefois une question plus complexe : on peut par exemple se demander comment évolue la relation courant-phase avec une polarisation en phase à haute fréquence. Quels sont les temps caractéristiques et les mécanismes qui régissent cette évolution ? Pour sonder les propriétés des états d’Andreev et en particulier leur dynamique, nous avons mesuré la réponse d’un anneau NS polarisé en phase $ \varphi $. La réponse du courant à une excitation en phase à des fréquences $ f $ allant de 200 MHz à 14 Ghz donne accès à la susceptibilité magnétique $ \chi(\varphi,f) $ dont la partie réelle $ \chi' $ renseigne sur la réponse non-dissipative et la partie imaginaire $ \chi'' $ informe sur la dissipation. La susceptibilité est obtenue en mesurant la modification des modes propres d'un résonateur supraconducteur auquel est couplé l'anneau.De manière attendue, $ \chi' $ est simplement la dérivée en phase du supercourant à basse fréquence, révélant ainsi la relation courant-phase. Fait plus surprenant, nous avons observé l'émergence de deux contributions à plus haute fréquence. La première est reliée à la relaxation des populations mises hors-équilibre par l'excitation. Elle est associée à un bruit de supercourant. La seconde contribution correspond à des transitions induites. D'après notre analyse de l'expérience, sa dépendance en phase s'explique en prenant en compte des règles de sélection. Elle devrait également permettre de réaliser la spectroscopie du minigap. Ces résultats montrent que de telles mesures à fréquence finie révèlent des propriétés des jonctions SNS inaccessibles par des expériences de transport standards.


  • Résumé

    A SNS junction made of two superconducting (S) electrodes separated by a normal (N) metal carries a non-dissipative current whose amplitude depends on the phase difference between the superconductors. The equilibrium properties of this system have been recently explored and are now well understood. The dynamics is still an open question: how does the current-phase relation evolves with a high-frequency phase modulation? What are the mechanisms and characteristic times that govern this evolution?To probe the dynamics of Andreev states, we measured the response of a phase($ \varphi $)-biased NS ring. The current response at frequencies $ f $ ranging from 200 MHz up to 14 GHz yields the magnetic susceptibility $ \chi(\varphi,f) $ whose real part $ \chi' $ gives the the non-dissipative response while the imaginary part $ \chi'' $ reveals the dissipation. Susceptibility is accessed by the modification of a superconducting resonator coupled to the NS ring.As expected, $ \chi' $ is simply the phase derivative of the supercurrent at low frequency, thus revealing the current-phase relation. More strikingly, we observed the emergence of two contributions at high-frequency. The first one is related to the relaxation of populations driven out-of-equilibrium by the excitation. It is associated with supercurrent noise. The second one corresponds to induced transitions. According to our analysis of the experiment, its phase dependence is accounting for by taking into account selection rules. It should also allows to perform the minigap spectroscopy. These results show that such finite frequency measurements reveal properties of SNS junctions that can not be accessed by standard transport experiments.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.