Supercourant et dynamique d'une jonction Josephson constituée d'un nanotube de carbone dans le régime Kondo

Supercurrent and dynamics in carbon nanotube Josephson Junction in the Kondo regime

• Auteur / Autrice : Diana Watfa
• Direction : Richard Deblock
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Île de France
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Simon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Balestro, Julia Meyer, Fabio Pistolesi, Takis Kontos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Balestro, Julia Meyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconductivité

Mots clés libres

Effet Josephson

Effet Kondo

Nanotube de carbone

Boite quantique

Transition 0-π

Josephson effect

Kondo effect

Carbon nanotube

Quantum dot

0-π transition

Résumé

Au cours de cette thèse nous avons étudié la compétition entre deux types d'états fortement corrélés : l'effet Kondo, qui correspond à l'écrantage d'un moment magnétique isolé par les électrons de conduction d'un métal, et l'effet de proximité supraconducteur. Cette compétition a déjà été sondée à l'équilibre, en mesurant la relation courant-phase dans des jonctions Josephson à base de nanotube de carbone. Ces expériences ont révélé que l'état fondamental du système pouvait être soit un état doublet magnétique ou bien un état singulet non-magnétique et qu'une transition entre ces deux états pouvait être contrôlée par une tension grille ou bien par la phase supaconductrice. Dans ce travail de thèse nous avons montré qu'une telle transition pouvait être induite dynamiquement en mesurant l'effet Josephson AC de la jonction. L'émission Josephson est mesurée en couplant sur le même échantillon le nanotube de carbone à un détecteur quantique grâce à un circuit résonant supraconducteur. L'expérience montre que cette émission est fortement réduite dans les zones de tension grille où le courant critique était augmenté du fait de l'action conjuguée de l'effet Kondo et de l'effet de proximité. En comparant nos données à des calculs utilisant les techniques numériques du groupe de renormalisation, nous attribuons la forte diminution de l'effet Josephson AC à la dynamique des quasiparticules dans la boite quantique constituée par le nanotube de carbone qui conduit à une transition entre l'état fondamental singulet et l'état excité doublet.Pour améliorer la méthode de détection à basse température, nous avons réalisé deux autres expériences. Dans la première, nous avons testé des lignes de polarisation continue réalisée au laboratoire qui permettent d'atteindre de faible température électronique, température mesurée grâce à un transistor à un électron. Nous avons par ailleurs fabriqué et mesuré un nouveau type de micro-résonateur supraconducteur, basé sur un matériau à forte inductance cinétique, des nanofils de tungstène déposé sous faisceau d'ions hélium focalisé. Ce type de résonateurs pourrait s'avérer très utile en tant que circuit de couplage résonant pour la détection haute fréquence "on-chip" et plus généralement pour réaliser des éléments supraconducteurs non-linéaires compacts pour l'électronique quantique.

During this thesis, we have studied the competition between two many-body effects: the Kondo effect, which is the screening of a localized magnetic moment by the conduction electrons of a conductor, and proximity induced superconductivity. The competition between these two effects has been already investigated at equilibrium, by monitoring the current phase relation of carbon nanotube-based Josephson junctions. These experiments have revealed phase and gate dependent quantum transitions between the magnetic doublet state and the Kondo screened singlet non-magnetic state of the nanotube. In the present work we show that this transition can be dynamically induced by exploring the AC Josephson emission. The AC Josephson emission can be measured by coupling the carbon nanotube to an on-chip quantum detector via a resonant coupling circuit. Experimental results show that this emission is strikingly reduced in the gate region where the critical current is enhanced due to the interplay of the Kondo effect and superconducting proximity effect. By comparing our data to numerical renormalization group calculations, we showed that the collapse of AC Josephson emission is due to the dynamics of quasiparticle in the quantum dot which induce a transition between a singlet ground state and a doublet excited state.To improve our detection methods at low temperatures, we performed two other experiments. In the first experiment, we have tested new homemade filtering of DC lines in a cryo-free dilution refrigerator, by measuring the electronic temperature of a single electron transistor. In the second experiment, we have designed and measured a new type of superconducting micro-resonator, based on a high kinetic inductance material, namely tungsten nanowiresdeposited using a helium focus ion beam. This kind of resonator can be very useful to improve the resonant coupling for on-chip detection and more generally to engineer a compact non-linear high impedance superconducting element for quantum electronics.