High-Tc Josephson mixers for Terahertz detection

par Maxime Malnou

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Nicolas Bergeal et de Jérôme Lesueur.

Soutenue le 07-07-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013) , en partenariat avec Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (laboratoire) .

Le jury était composé de Laurence Méchin, Olivier Bourgeois, Yuri Divin, Jérôme Tignon, Roch Espiau De Lamaestre, Carlo Sirtori.

  • Titre traduit

    Mélangeurs Josephson à haute température critique pour la détection térahertz


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation d'un mélangeur hétérodyne, à partir d'YBa2Cu3O7, un matériau supraconducteur à haute température critique. Nous avons évalué son potentiel pour la détection d'ondes térahertz. La physique complexe des jonctions irradiées a été correctement décrite en modifiant légèrement les équations quasi-classiques d'Usadel, originellement développées pour les supraconducteurs inhomogènes à basse température critique. Les mesures de transport électronique ont montré que nos dispositifs respectent le modèle de la jonction résistivement shuntée. Nous avons expliqué leur fonctionnement à haute fréquence au moyen du modèle à trois ports, et démontré la détection d'ondes jusqu'à 400 GHz. Nous avons identifié l'efficacité de conversion du mélange hétérodyne comme le produit de trois termes : deux rendent compte des adaptations d'impédances en entrée et sortie du mélangeur, le troisième caractérise la conversion à basse fréquence des signaux térahertz. La puissance de l'oscillateur local nécessaire, l'étendue dynamique du mélangeur ainsi que son efficacité de conversion ont été mesurées, s'accordant bien avec les simulations numériques. Le recours à un réseau de jonctions Josephson synchronisées est incontournable pour parvenir à créer un oscillateur local puissant et spectralement fin à partir de l'oscillation propre des jonctions. Nous avons identifié le verrouillage par une boucle externe comme l'unique mécanisme efficace de synchronisation et simulé son effet. Enfin nous avons mesuré la première signature d'une synchronisation dans un réseau à deux dimensions de jonctions irradiées.


  • Résumé

    In this thesis, we used a high-Tc superconducting material, YBa2Cu3O7, to make a heterodyne mixer. We aimed at evaluating its ability for terahertz detection. We also worked towards the fabrication of an on-chip local oscillator, designed with an array of Josephson junctions. The originality of this study stems from a unique way of engineering Josephson junctions, based on ion irradiation. We described the complex physics of ion irradiated Josephson junctions through a modified version of quasi-classical Usadel equations, which have originally been derived for non-homogenous low-Tc superconductivity. The d-c electronic transport measurements showed that our irradiated Josephson junctions are well described by the resistively shunted junction model. Furthermore, we explained the high-frequency mixing operations with the three-port model, and proved the heterodyne detection of signals up to 400 GHz. We identified the heterodyne conversion efficiency as a product of three terms: two depending on impedance mismatches and the third one characterizing the intrinsic down-conversion ability of the Josephson junction. The dynamic range of the mixer, its conversion efficiency and its dependence on local oscillator power were measured and found to be in agreement with simulations. An array of synchronized junctions is necessary to create a powerful and spectrally pure local oscillator from Josephson oscillations. We identified the external locking as the only efficient mechanism to synchronize YBa2Cu3O7 irradiated junctions, showing its effect in simulated systems. We also reported a first evidence of synchronization in a two dimensional array of irradiated Josephson junctions.


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