Thèse soutenue le 18 décembre 2013 pour obtenir le grade de docteur de l'Université de Grenoble - Spécialité : Physique/Nanophysique
Résumé : Pendant ce travail de thèse, j'ai tout d'abord finalisé le développement d'un système expérimental unique dédié aux études de transport électronique de nanostructures multiterminaux de faible impédance. Ce dispositif permet des mesures de conductance et de bruit à très basse température (30 mK), avec une résolution du pico-ampère en utilisant des SQUID comme amplificateurs de courant. Dans le chapitre 5, je fournis une description du fonctionnement de la mesure. De plus, je décris la calibration du dispositif et la manière de déduire des quantités physiques à partir des mesures. Au Chapitre 6, je décris des mesures de transport avec des jonctions diffusives à trois terminaux (tri-jonctions). Dans une géométrie, que l'on appelle T-shape, des électrodes supraconductrices d'Aluminium sont connectées entre-elles par une partie centrale métallique non-supraconductrice de Cuivre. Pour ces nanostructures, on observe des anomalies de conductance à basse tension qui n'ont jamais été observées expérimentalement. Ces anomalies de résistance/conductance ressemblant fortement à l'effet Josephson apparaissant lorsque deux des potentiels appliqués à la tri-jonction ont une somme nulle. Les anomalies sont présentes sur une large échelle de tension sans perte d'amplitude. De-même, elles montrent une grande robustesse en température. Des expériences sous champ magnétique appliqué montrent une forte suppression des anomalies pour un champ magnétique correspondant à flux magnétique dans la partie normale de l'ordre d'un quantum de flux. Ceci indique qu'un mécanisme cohérent de phase doit être à l'origine des anomalies. Dans la littérature, deux mécanismes sont proposés pour expliquer ces effets. Le premier, nommé "mode-locking", est un accrochage dynamique des courants Josephson ac, qui est induit par l'environnement expérimental (circuit). Cette situation a été étudiée dans les années soixante sur des microstructures Josephson couplées à base de liens faibles. Pour tester cette explication, nous avons mesuré un échantillon composé de deux jonctions Josephson spatialement séparées. Les anomalies n'apparaissent pas dans une telle géométrie, pas même avec une amplitude réduite. Ceci indique qu'une synchronisation par l'environnement expérimental ne peut pas être à l'origine des anomalies observées. Le deuxième mécanisme théorique évoqué est nommé "mode de quartet" et a été proposé récemment par Freyn et collaborateurs. L'une des électrodes supraconductrices distribue alors des doublets de paires de Cooper. Chacune de ces deux paires se scindent alors en deux quasiparticles se propageant chacune vers deux contacts supraconducteurs différents. Dans un tel mécanisme deux quasiparticules, issues de deux paires de Cooper différentes, arrivent sur chacun des deux contacts supraconducteurs. Lorsque les tensions appliquées entre le contact supraconducteurs émetteur et les deux autres contacts sont exactement opposés, les phases des fonctions d'ondes électroniques des quasiparticules arrivant sur un même contact supraconducteur sont telles que ces deux quasiparticules peuvent se recombiner pour former une paire de Cooper. Par ce mécanisme le doublet de paires de Copper émis se distribue de manière cohérente en deux paires de Cooper chacune dans un contact supraconducteur différent. Ce mécanisme est favorable, car il est robuste envers le désordre et peut ainsi exister sur une large échelle de tensions. Au cours de cette thèse, j'ai montré que ces anomalies sont effectivement présentes pour des tensions appliquées correspondant à des énergies bien supérieures à l'énergie de Thouless. A contrario, les effets cohérents responsables de l'effet Josephson ac doivent être fortement atténués sur cette même échelle d'énergie, ce qui rend peu probable le mécanisme de mode-locking. La dépendance observée avec le champ magnétique et la température sont d'autres indications de l'existence du mode de quartet. Malheureusement, il n'existe pour l'instant, pas de théorie microscopique complète d'une telle tri-jonction pour fournir une argumentation incontournable. Néanmoins, une approche phénoménologique a été développée sur la base d'un modèle RSJ élargi. Celui-ci permet une estimation de l'influence des particularités du dispositif expérimental (voltage-/current-bias). La première partie de mon manuscrit (chapitre 1, 2, 3 et 4) présente une introduction, une description assez détaillée des concepts de supraconductivité mésoscopique utiles au reste du manuscrit ainsi qu'un état de l'art dans l'étude des jonctions Josephson couplées. Dans le Chapitre 8, je donne une conclusion du travail effectué et je propose des expériences complémentaires et des perspectives à long terme
Jury : Président : Vincent Bouchiat
Rapporteur : Marco Aprili
Rapporteur : Detlef Beckmann
Examinateur : Denis Feinberg
Examinateur : Christian Schönenberger
Directeur de thèse : François Lefloch
Mots clés : Physique quantique mésoscopique, Supraconductivité, bruit de grenaille
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