Supraconductivité et localisation dans des nanofils unidimensionnels d'InSb et d'InAs

par Juan Carlos Estrada Saldaña

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Silvano De Franceschi.

Le président du jury était Pascal Simon.

Le jury était composé de Vincent Bouchiat.

Les rapporteurs étaient Jesper Nygård, Francesco Giazotto.


  • Résumé

    Dans ma thèse, j'ai étudié le transport électronique quantique dans des nanofils semiconducteurs couplés aux supraconducteurs, avec le but de comprendre les conditions nécessaires pour observer des états liés de Majorana. De manière inattendue, au cours de mes expériences j'ai trouvé des exemples notables de l'omniprésence de la localisation spatiale des électrons dans des nanofils apparemment balistiques et unidimensionnels (1D). Ses effets peuvent imiter des signatures d'unidimensionnalité, d’hélicité et des états liés de Majorana, jetant un doute sur leur interprétation.La conductance d’un nanofil 1D est quantifiée et censée montrer des plateaux a des multiples entiers du quantum de conductance. Curieusement, le transport dans un nanofil d'InAs qui hébergeait une boite quantique à un seul niveau a montré qu'il pouvait répliquer les deux premiers plateaux résolus en spin. Une mesure du courant Josephson sous un champ magnétique a révélé les transitions d'état fondamental d'un électron qui occupait ce niveau et confirmé sa nature localisé.Dans le régime hélicoïdal, une chute de la conductance est prédite au milieu de chaque plateau de conductance. De façon étonnante, des dispositifs à base de nanofils uniques d'InSb hébergeant une boite quantique qui conduisait en parallèle avec le canal 1D ont reproduit la même signature.Enfin, la présence des états liés de Majorana, devrait être décelée par un pic à tension de biais nul (ZBP) lors d’une spectroscopie tunnel. Dans un des échantillons à deux canaux mentionnés précédemment, lorsque le canal unidimensionnel était fermé, un ZBP a émergé dans le gap supraconducteur sous un champ magnétique parallèle au nanofil. Ce ZBP a été attribué aux états liés d'Andreev de la boite quantique. Dans une expérience différente faite avec une jonction Josephson à base d'un nanofil d'InAs hébergeant une boite quantique, un ZBP relié au courant Josephson est apparu dans le gap supraconducteur comme le résultat d'une transition de l'état fondamental singlet de la boite quantique vers un état doublet.Malgré la localisation, il a été possible d'extraire des informations significatives sur le régime 1D. Le rôle des grilles a été majeur dans la détermination des dégénérescences sous un champ magnétique des sous-bandes d’un nanofil d'InSb présentant deux canaux de conduction en parallèle. En jouant avec leurs tensions de seuil, effets orbitaux, et facteurs gyromagnétiques, la tension de grille pouvait changer les énergies des sous-bandes appartenant à chaque canal, de manière à les verrouiller ensemble. Grace à ce mécanisme, il a été possible d’observer un plateau à 2e^2/h jusque à de forts champ magnétiques sans aucune apparition d'un plateau à 1e^2/h. La possible existence des deux fils quantiques dans un seul nanofil ouvre la voie à l'observation des états hélicoïdaux et des états liés de Majorana de nature fractionnel.Dans l'ensemble, ces résultats pointent vers la nécessité d'une meilleure compréhension de la physique des dispositifs à base de nanofils d'InAs et d'InSb. Des études supplémentaires dans l'état supraconducteur et normal doivent être réalisées sur des dispositifs plus simples avec un faible nombre de grilles, avant de faire l'étude et manipulations des états liés de Majorana dans des systèmes plus complexes, dont les signatures de localisation pourraient être mieux cachées. Ces résultats originaux vont être publiés dans les mois qui suivent dans quatre articles différents.

  • Titre traduit

    Superconductivity and localization in one-dimensional InSb and InAs nanowires


  • Résumé

    In my thesis, I studied low-temperature electronic transport in semiconductor nanowires coupled to superconductors, with the goal of understanding the requirements to observe Majorana bound states. Unexpectedly, I found dramatic examples of the pervasiveness of spatial localization of electrons even in seemingly ballistic one-dimensional (1D) nanowires. Localization could replicate signatures of one-dimensionality, helicity and Majorana bound states, casting a shadow of doubt on their interpretation.1D nanowires are expected to show plateaus of quantized conductance. Curiously, transport through an InAs nanowire hosting a single-level quantum dot showed that it could mimic the first two spin-resolved plateaus. A measurement of the Josephson supercurrent under magnetic field revealed the ground-state transitions of an electron occupying this level, confirming its localized nature.In the helical regime, a conductance dip is predicted to appear in each of the conductance plateaus. Surprisingly, InSb nanowire devices hosting a quantum dot conducting in parallel with a 1D channel reproduced this signature.The presence of Majorana bound states, in turn, should be revealed by a zero-bias peak (ZBP) in tunnel spectroscopy. In one of the two-path devices mentioned above, when the 1D path was closed, a zero-bias peak emerged inside the superconducting gap under a magnetic field parallel to the nanowire. This ZBP was related to trivial Andreev bound states from the quantum dot in parallel to the 1D channel. In a different experiment done in an InAs nanowire Josephson junction device hosting a quantum dot, a ZBP related to a Josephson supercurrent appeared inside of the superconducting gap as a result of a transition of the ground-state of the dot from a singlet to a doublet.In spite of localization, it was possible to extract some meaningful information about the 1D regime. The role of the gates was major in determining the degeneracy of the subbands in an InSb nanowire with two 1D conduction paths in parallel under magnetic field. Through a direct influence on their threshold voltages, orbital effects, and g-factors, the gate voltage could shift the energies of the subbands and lock them together. Via this mechanism, it was possible to observe a 2e^2/h plateau lasting until very large field without the appearance of a 1e^2/h plateau. The possible existence of two quantum wires in a single nanowire opens the door for novel helical and Majorana bound states of fractional nature.Altogether, these results point to the need of a better understanding of the physics of simpler few-gates short-channel InAs and InSb nanowire superconducting and normal-state devices, before committing to the utterly complex devices that should be fabricated to study and manipulate Majorana bound states, in which signatures of localization could be better hidden. These original results will be published in the coming months in four different articles.


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