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La jonction Josephson (JJ) est le composé de base de nombreux circuits électroniques supraconducteurs (SQUID, détecteurs d’ondes millimétriques, logique RSFQ). Avec la découverte des supraconducteurs HTc (à haute température critique), d’intenses recherches ont été entreprises pour réaliser des JJ fonctionnant à la température de l’azote liquide (77 K) permettant l’utilisation d’une cryogénie compacte. Toutefois, la complexité de ces matériaux a longtemps rendu difficile le développement d’une technologie viable et simple à mettre en œuvre. Parmi les méthodes de fabrication de jonctions, celle utilisant l’irradiation par faisceau d’ions a atteint un niveau de maturité suffisamment important pour pouvoir envisager la production de circuits comportant plusieurs milliers de JJ à HTc.Le but de ma thèse repose sur la fabrication, la caractérisation et l’étude des propriétés électromagnétiques de réseaux de jonctions Josephson réalisés dans des films minces d’YBa2Cu3O7-d. par la méthode d’irradiation ionique.

The Josephson junction (JJ) is the basis of many compound superconducting electronic circuits (SQUID detectors millimeter wave RSFQ logic). With the discovery of HTS superconductors (high critical temperature), intensive research has been undertaken to make JJ operating at the temperature of liquid nitrogen (77 K) allowing the use of a compact cryogenics. However, the complexity of these materials has long hampered the development of a viable technology and simple to implement. Among the junctions manufacturing methods, one using the ion beam irradiation has reached a sufficiently high degree of maturity to be able to envisage the production of circuits having thousands of JJ to HTS.The aim of my thesis is based on the fabrication, characterization and study of the electromagnetic properties of Josephson arrays achieved in thin films of YBa2Cu3O7-d. by the ion irradiation method.

Advisors/Committee Members: Lesueur, Jérôme (thesis director).

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Ce travail de thèse est principalement axé sur le développement d’une nouvelle méthode de manipulation de vortex d’Abrikosov individuels dans les supraconducteurs de type II. Cette méthode, rapide, efficace et précise, est basée sur l’optique en champ lointain et repose sur l’échauffement local du supraconducteur sous l’action d’un faisceau laser focalisé. Elle apporte une excellente alternative aux techniques existantes de manipulation de vortex, toutes basées sur l’utilisation de sondes locales, et donc intrinsèquement lentes et difficiles à mettre en oeuvre dans un environnement cryogénique. La combinaison de cette méthode à une technique d’imagerie magnéto-optique performante permet de déplacer des vortex individuels avec un taux de réussite de 100% et sur de grandes échelles limitées uniquement par le champ de l’objectif de microscope. Les vitesses de manipulation atteintes sont élevées, de l’ordre de 10 mm.s-1, mais encore limitées par l’instrumentation utilisée et loin des limites fondamentales offertes par cette méthode, estimées au km.s-1. La méthode de manipulation optique permet aussi de mesurer la distribution des forces de piégeage de chaque vortex d’un échantillon. En utilisant des puissances de chauffage laser permettant de dépasser localement la température critique, nous avons également pu étudier la pénétration des vortex à l’interface entre une zone normale et une zone supraconductrice.Durant ces travaux, nous avons aussi eu l’opportunité de mettre en évidence, par spectroscopie de molécules uniques, l’effet flexomagnétoélectrique dans un matériau multiferroïque, en employant un supraconducteur de type I comme générateur de champ magnétique inhomogène. Enfin, nous proposons à la fin de ce mémoire un concept de jonction Josephson créée tout optiquement, et dont les propriétés seraient contrôlables en temps réel par laser.

This thesis focuses on the development of a new manipulation technique to handle single Abrikosov vortices in type II superconductors. This fast, efficient and precise method is based on far field optics and rests on the local temperature elevation produced by a focused laser beam. It brings an excellent alternative to the existing techniques which are all based on local probes and thus heavy to implement in a cryogenic environment. The combination of this method with an efficient magneto-optical imaging system allows us to manipulate single vortices with a 100% rate of success on a large scale only limited by the field of view of the microscope objective. Manipulation speeds are high, of the order of 10 mm.s-1, but still limited by our setup and far from the fundamental limits offered by this technique, estimated to the km.s-1. This manipulation technique also allows to measure the pinning force of any single vortex in a superconducting sample. By using a high enough laser power which locally pushes the temperature above the critical temperature, we could also study the vortex penetration at the interface between normal and superconducting areas.In the course of this work, we…

Advisors/Committee Members: Bouzdine, Alexandre (thesis director), Tamarat, Philippe (thesis director).

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Les circuits à base de jonctions Josephson comme les filtres à interférences quantiques, nommés SQIF (Superconducting Quantum Interference Filter), sont des capteurs très sensibles au champ magnétique. Les éléments de base d’un tel circuit sont les SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Aussi performants dans la détection de champ magnétique, ces derniers ne permettent pas de réaliser des mesures absolues. De plus, la nécessité d’un asservissement par une boucle à verrouillage de flux limite la bande de fréquence d’utilisation. Les SQIF n’ont pas cette limitation et permettent les mesures absolues de champ magnétique. Leur capacité à combiner une taille compacte, une très bonne sensibilité et une large bande fréquentielle d’utilisation fait de ces capteurs des sérieux concurrents aux antennes classiques. Des mesures expérimentales avec des SQIF HTS faits par la technologie de jonctions irradiées montrent qu’il est possible de réaliser la détection de signaux radiofréquence jusqu’au moins 5 GHz en configuration de champ proche et en environnement non magnétiquement blindé. Afin de réaliser l’adaptation d’impédance et améliorer les caractéristiques DC de ces capteurs, différentes géométries de réseau sont étudiées. L’étude permet de définir les paramètres d’importance dans la conception de circuits SQIF afin de réaliser des détecteurs radiofréquence performants.

Superconducting Quantum Interference Filters (SQIF) are Josephson circuits very sensitive to magnetic field. They are made of arrays of SQUIDs (Superconducting QUantum Interference Devices). The latter, when operated alone, doesn’t allows absolute magnetic field measurements and have to be used with a flux locked loop, which limits the frequency band of operation. SQIFs doesn’t have such limitations and they offer the possibility to combine compactness, sensitivity and wide band of frequency at the same time. Because of this, SQIFs are serious concurrents to classical antennas in microwave applications. Experimental measurements made with HTS SQIFs and irradiated Josephson junctions shows that it is possible to detect microwave signals up to 5 GHz in an unshielded environment, and near field configuration. To perform better detection, it is important to match impedance of circuits. In the goal to do this and to improve DC characteristics, different network geometries are studied. At the end this study allows to define which parameters are important in the design of SQIF circuits for microwave detection.

Advisors/Committee Members: Lesueur, Jérôme (thesis director).

▼ In this thesis we study various effects of magnetism in proximity structures, composed of superconducting electrodes in contact with a normal metal. Magnetism can be present in the system through the Zeeman and the orbital coupling. Proximity structures offer in particular a unique opportunity to study the interplay between ferromagnetism and conventional superconductivity, which can hardly coexist in bulk samples. The orbital effect of an external magnetic field applied to a Josephson junction results in interference effects between local currents. In Chapter 1, we give an introduction to the main features of the proximity effect and to the theoretical formalism used throughout the thesis. In Chapter 2 we study the Josephson effect in a superconductor–ferromagnet–superconductor (SFS) junction with ferromagnetic domains of noncollinear magnetization. It is well known [1] that as a consequence of the exchange splitting of the Fermi level [2] the Cooper pair wave function shows damped oscillations in a ferromagnet, leading to the appearance of the so-called "π state" in SFS junctions [3]. In the π state, the superconducting order parameter is of opposite sign in the two S electrodes of the Josephson junction, and a spontaneous non-dissipative current can appear in a ring containing such a junction. As a model for our study of the influence of magnetic domains on the π state formation, we consider a diffusive junction with two ferromagnetic domains along the junction. We find analytically the critical current as a function of domain lengths and of the angle between the orientations of their magnetizations. Varying those parameters, the junction may undergo transitions between 0 and π phases. We find that the presence of domains reduces the range of junction lengths at which the π phase is observed. For the junction with two domains of the same length, the π phase totally disappears as soon as the misorientation angle exceeds π/2. We further comment on possible implications of our results for experimentally observable 0–π transitions in SFS junctions. Experimentally, π junctions are realized as thin films deposited in layers. In Chapter 3, we study therefore the influence of in-plane magnetic domains on the Josephson current. We find that the properties of the junction depend on the size of the domains relative to the magnetic coherence length. In the case of large domains, the junction exhibits transitions to the π state, similarly to a single-domain SFS junction. In the case of small domains, the magnetization effectively averages out, and the junction is always in the zero state, similarly to a superconductor–normal metal–superconductor (SNS) junction. In both those regimes, the influence of domain walls may be approximately described as an effective spin-flip scattering. We also study the inhomogeneous distribution of the local current density in the junction. Close to the 0–π transitions, the directions of the critical current may be opposite in the vicinity of the domain wall and in the middle of the domains. In… Advisors/Committee Members: Ivanov, Dmitri.

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Le sujet de thèse est une étude théorique des modes normaux d’oscillations plasma dans des chaînes de jonctions Josephson supra-conductrices. Les propriétés de ces modes normaux peuvent être contrôlés en choisissant une modulation spatiale appropriée de paramètres des jonctions le long de la chaîne et/ou un couplage approprié à l'environnement extérieur. Le travail théorique au sein du LPMMC se fait en étroite collaboration avec l'équipe expérimentale"Cohérence Quantique" à l'Institut Néel. Les problèmes spécifiques étudiés dans la thèse sont : modélisation détaillée du couplage des modes normaux à l'environnement pour leur caractérisation dans une expérience de transmission de micro-ondes, dissipation intrinsèque des oscillations du plasma à cause de quasi-particules hors équilibre, l'optimisation de la structure spatiale de la chaîne de jonctions Josephson pour son utilisation en tant qu'une super-inductance.

The subject of thesis is a theorerical study of normal modes of plasma oscillations in superconducting Josephson junction chains. The properties of these normal modes can be controlled by choosing an appropriate spatial modulation of the junction parameters along the chain and/or an appropriate coupling to the external environment. The theoretical work at LPMMC is performed in a close collaboration with the experimental Quantum Coherence group at Néel Institute. The specific problems studied in this thesis are : detailed modeling of the normal mode coupling to the environment for probing them in a microwave transmission experiment, intrinsic dissipation of plasma oscillations due to the presence of non-equilibrium quasi-particles, optimization of the spatial structure of the Josephson junction chain for its use as a super-inductance.

Advisors/Committee Members: Basko, Denis (thesis director).

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En circuit-QED, la technique la plus usuelle pour lire l'état d'un qubit est d'utiliser le couplage transverse entre le qubit et une cavité micro-onde dans la limite dispersive. Cependant, malgré d'importants progrès au cours de cette décennie, obtenir une lecture rapide, en un seul coup et hautement fidèle d'un qubit reste un défi majeur. En effet, la distinction de l'état d'un qubit est limitée par le compromis entre vitesse d'acquisition et précision. Cette limite a pour origine le couplage transverse qui impose deux importantes contraintes expérimentales : premièrement, augmenter les interactions pour lire plus rapidement restreint la durée de vie du qubit via l'effet Purcell. La seconde contrainte est sur la force du signal, qui est limitée pour éviter des transitions non voulues et induites par la mesure. Par conséquent, le défi expérimental à relever avec le couplage transverse est d'acquérir un signal faible en un temps court...Pour surmonter ces limitations, nous voulons changer de paradigme en introduisant un nouveau schéma de lecture qui se base sur un couplage cross-Kerr direct. Ce schéma est obtenu grâce à une molécule artificielle supraconductrice couplée à une cavité micro-onde 3D. La molécule est construite en couplant inductivement deux atomes transmons supraconducteurs. Elle manifeste alors deux modes propres : le mode symétrique qubit transmon et le mode antisymétrique ancilla. En insérant cette molécule dans la cavité de manière optimale, une hybridation transverse entre l'ancilla et la cavité conduit à deux résonateurs faiblement anharmoniques, appelés polaritons. Ces derniers possèdent un couplage cross-Kerr direct et large avec le qubit transmon. En mesurant le signal micro-onde transmis par un polariton, l'état du qubit peut être résolu.Théoriquement, dans ce nouveau paradigme, le qubit est immunisé contre les limitations du couplage transverse tel que l'effet Purcell. Cependant, pour les deux échantillons étudiés, un couplage transverse résiduel existe à cause d'imperfections expérimentales. Même faible, il limite pour l'instant la durée de vie du qubit et nos performances de lecture. Malgré cela, nous avons obtenu une lecture du qubit en un seul coup avec une fidélité allant jusqu'à 97.2 % en 500 ns par une mesure dite de verrouillage grâce à la non-linéarité du polariton. Dans une limite linéaire à faible nombre de photons, nous démontrons une fidélité atteignant 94.7 % en seulement 50 ns de lecture grâce à l'ajout d'un amplificateur paramétrique Josephson. Dans ce régime, les sauts quantiques sont résolus et le qubit est lu de manière non-destructive 99.2 % du temps.

Using the transverse coupling between a qubit and a microwave cavity in the dispersive limit is the most common technique in circuit-QED to readout a qubit state. However, despite important progress in the last decade, implementing a fast single shot high fidelity readout remains a major challenge. Indeed, inferring the qubit state is limited by the trade-off between speed and accuracy. The transverse coupling imposes two…

Advisors/Committee Members: Buisson, Olivier (thesis director), Roch, Nicolas (thesis director).

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Nous avons étudié la dynamique des sauts quantiques de phase (quantum phase-slips) dans différents types de chaînes de jonctions Josephson. Les sauts de phase sont contrôlés par le rapport entre l'énergie Josephson et l'énergie de charge de chaque jonction. Nous avons mesuré l'effet des sauts de phase sur l'état fondamental de la chaîne et nous avons observé l'interférence quantique de sauts de phase (effet Aharonov-Casher). Les résultats de nos mesures sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Nous avons montré qu'une chaîne de jonctions Josephson polarisée en phase, présente un comportement collectif, similaire à un objet macroscopique. Les résultats de cette thèse ouvrent la voie pour la conception de nouveaux circuits Josephson, comme par exemple un qubit topologiquement protégé ou un dispositif quantique pour la conversion courant-fréquence.

In this thesis we presented detailed measurements of quantum phase-slips in Josephson junction chains. The measured phase-slips are the result of fluctuations induced by the finite charging energy of each junction. Our experimental results can be fitted in very good agreement by considering a simple tight-binding model for QPS. We have shown that under phase-bias, a chain of Josephson junctions or rhombi can behave in a collective way very similar to a single macroscopic quantum object. These results open the way for possible use of quantum phase-slips for the design of novel Josephson junction circuits, such as topologically protected rhombi qubits or current-to-frequency conversion devices.

Advisors/Committee Members: Guichard, Wiebke (thesis director), Pannetier, Bernard (thesis director).