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Les propriétés électroniques de conducteur de taille inférieure à la longueur de cohérence de phase, sur laquelle la phase électronique reste bien déterminée, sont modifiées par les interférences électroniques. Notre équipe s’interesse à différents systèmes où ces effets quantiques sont particulièrement importants tels que les isolants topologiques, le graphène ou les nanotubes de carbone. Nous décrivons ci dessous quelques uns de nos résultats récents.

Démonstration de la protection topologique par une expérience microonde

La démonstration expérimentale de la protection topologique des états de bords de l’état de Spin Hall quantique est un véritable défi. Une suggestion théorique est de mesurer la susceptibilité microonde de jonctions Josephson comportant un isolant topologique, polarisées en phase. En effet, le spectre d’Andreev de telles jonctions comporte un croisement protégé à la phase pi, de sorte que la réponse dissipative de la jonction doit être piquée à pi, alors qu’elle est nulle à pi pour une jonction non topologique.

Nous avons réalisé une telle mesure sur une jonction Josephson comportant un nanofil de bismuth : ce matériau est le premier isolant topologique d’ordre deux découvert, et nous avions montré que le supercourant le traverse de façon ballistique le long d’états unidimensionnels « charnières ». Conformément à la prédiction théorique, nous mesurons une dissipation piquée à pi, dont les dépendances en fréquence et température indique un croisement topologiquement protégé, avec une résolution expérimentale de mieux que 50 mK.

Référence : A. Murani et al, Phys. Rev. Lett. 122, 076802 (2019) (Pdf)

Des nanofils supraconducteurs à haute inductance cinétique

Des efforts conjoints impliquant deux équipes du LPS ont démontré que le dépôt de matériaux supraconducteurs assisté par faisceau d’ions Hélium (He-FIB) peut être utilisé pour concevoir et déposer des nano-objets supraconducteurs avec un processus d’écriture directe polyvalent. En particulier, des nanofils très minces (5 nm), étroits (35 nm) et longs (400 µm) ont pu être réalisés et possèdent une inductance cinétique très élevée (250 fois plus grande que l’inductance géométrique).

Cette avancée technologique a été rendue possible par les propriétés uniques et la stabilité du microscope à faisceau d’ions hélium focalisé (He-FIB) récemment acquis par le LPS avec le C2N et le SPEC. Les nanofils ainsi réalisés permettent d’envisager de nouvelles applications dans le domaine des circuits quantiques supraconducteurs.

Référence : J. Basset et al., Appl. Phys. Lett. 114, 102601 (2019) (Pdf)

Dévoiler la nature balistique du transport dans des nanofils de bismuth topologiques

Une propriété frappante des isolants topologiques bidimensionnels est que le courant n’est porté que par un très faible nombre d’états unidimensionnels, situés aux bords de la surface topologique. De plus, ce transport est censé être balistique, c’est-à-dire sans collision. Grâce à l’utilisation de contacts supraconducteurs, nous avons révélé un transport balistique à travers d’étroits canaux de bord dans des nanofils de bismuth monocristallins, suggérant que ce sont de potentiels isolants topologiques.

Nous avons exploité la sensibilité de la relation courant-phase pour tester le transport dans un isolant topologique, pour lequel le courant doit être porté par un petit nombre de canaux parfaitement balistiques, appelés états de bord topologiques. Nous avons trouvé que le supercourant à travers un nanofil de bismuth de 1.4 microns de long vérifie une relation courant-phase avec une forme en dent de scie très spécifique du transport balistique. Un transport balistique sur une si longue distance est une indication qu’il existe une protection topologique contre les collisions dans ces nanofils.

Référence : Anil Murani et al. , Nature Communications 8, 15941 (2017)

Les interactions électroniques font du bruit !

Alors que les interactions électroniques sont généralement négligeables dans les métaux tridimensionnels, elles se voient renforcées lorsque quelques électrons se retrouvent confinés dans une boite quantique, par exemple un nanotube de carbone. Une manifestation des interactions électroniques est l’effet Kondo, qui consiste dans l’écrantage d’une impureté magnétique par les spins des électrons de conduction dans un métal à suffisamment basse température. Le même effet existe pour une boite quantique couplée à des électrodes métalliques : le spin électronique de la boite est écranté par ceux des électrons des électrodes métalliques, formant un état singulet de spin nul.

Grâce à une collaboration entre le LPS et l’université d’Osaka, nous avons mesuré le bruit de grenaille, c’est-à-dire les fluctuations temporelles du courant rétrodiffusé dues aux variations du nombre de charges réfléchies par la boite. Cette technique permet d’extraire la charge des particules transportant le courant. L’expérience a été réalisée dans un nanotube de carbone couplé à des électrodes métalliques. Nous avons ainsi démontré que l’état Kondo se manifeste par deux aspects. A faible courant, cet état délocalise les électrons entre la boite et les électrodes, transmettant parfaitement le courant sans aucune réflexion. La boite est donc totalement silencieuse. A fort courant, le bruit augmente fortement et non-linéairement. Ll’amplitude du bruit non-linéaire permet de mesurer la charge effective des porteurs de charge réfléchis. La valeur de la charge effective déterminée, e*=5/3 ±5%, est en parfait accord avec la théorie et démontre la présence de paires d’électrons rétrodiffusées. De plus, nous avons prouvé que cette valeur 5/3 est universelle, valable pour tout système Kondo de spin 1/2.

Références :
Meydi Ferrier et al, Phys. Rev. Lett. 118, 196803 (2017) (Pdf)
Meydi Ferrier et al, Nature Physics 12, 230–235 (2016) (Pdf)

Comment la phase supraconductrice peut modifier le moment magnétique d’une boîte quantique ?

Nous avons mis en évidence la modulation par la phase supraconductrice de l’état quantique du spin électronique d’une boite quantique, entre deux contacts supraconducteurs. Cela se produit dans le régime de compétition maximale entre effet Kondo (écrantage du spin de la boite par les électrons de conduction des contacts) et effet de proximité supraconducteur et à des conséquences spectaculaires sur la relation entre le supercourant et la différence de phase supraconductrice : la relation courant-phase. En effet la relation courant-phase devient composite, avec une partie régulière (jonction 0) et une partie avec un signe opposé (jonction pi).

La mesure de cet effet a été réalisée, en insérant un nanotube de carbone, qui agit comme une boite quantique, dans un SQUID, et en mesurant l’échantillon obtenu à très basse température. La mesure de la relation courant-phase se fait alors en mesurant le supercourant du SQUID, la différence de phase étant contrôlée par un champ magnétique. Cette expérience constitue la démonstration de la transition quantique entre états magnétiques de la boite quantique pilotée par la phase supraconductrice et ouvre la voie à des mesures de relations courant-phase dans d’autres systèmes à fortes corrélations électroniques.

Références :
R. Delagrange et al., Phys. Rev. B 93, 195437 (2016) (Pdf)
R. Delagrange et al. Phys. Rev. B 91, 241401(R) (2015). (Pdf)

Financements

Nous bénéficions des financements de l’ANR, de l’ERC, des Labex PALM et NanoSaclay et du DIM SIRTEQ.