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Sujet de stage / Master 2 Internship

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Moteur thermique quantique à base d'une jonction Josephson polarisée en tension

Spécialité : PHYSIQUE / Physique de la matière condensée

Contact : PORTIER Fabien,
e-Mail : fabien.portier@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 72 16/74 75
Laboratoire : SPEC/GNE

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-3 mois
Date limite de constitution de dossier : 06/04/2018

Résumé :
Nous développerons un moteur thermique quantique basé sur une jonction Josephson polarisée par une tension DC couplée à deux résonateurs micro-ondes, un chaud et à haute fréquence et un de basse fréquence, plus froid. Des photons haute fréquence sont absorbés et des photons de basse fréquence émis, la différence d'énergie étant convertie en énergie électrostatique.

Sujet détaillé :
Ce projet appartient au domaine nouveau et actif qu'est la thermodynamique quantique. Nous souhaitons développer un moteur thermique simple dont le principe de fonctionnement est intrinsèquement quantique. Le dispositif impliqué dans ce projet est le suivant: une jonction Josephson est couplée à deux résonateurs de fréquence ν1, ν2 avec ν1> ν2 et sollicité à une tension V. Comme la jonction Josephson est un élément non dissipatif, un courant continu ne peut s'écouler à travers le circuit que si 2eV = n1 hν1 + n2 hν2, de sorte que l'énergie fournie par le générateur lors du transfert d'une paire Cooper est convertie en excitations électromagnétiques des résonateurs. Nous avons récemment détecté le rayonnement émis à 2eV = hν1 + hν2, le transfert d'une paire Cooper étant alors associé à l'émission d'un photon dans les deux résonateurs. Nous avons montré que le rayonnement alors émis est non classique [1]. Le but de ce stage est de démontrer que ce dispositif peut être utilisé comme moteur thermique: lorsque les deux modes sont maintenus à des températures différentes, avec T1> T2, choisies de sorte qu'il y ait plus de photons dans 1 que dans 2. Ensuite, si en polarisant la jonction à 2eV = hν1-hν2, on s'attend à un passage des paires Cooper remontant le circuit, associée à l'absorption des photons à la fréquence ν1 et à la ré-émission des photons à ν2, ce qui entraîne la conversion de la chaleur en énergie électrique. Contrairement à la plupart des machines classiques, l'efficacité de ce moteur devrait être élevée, même à puissance maximale [2]. L'échantillon étant déjà disponible, le stagiaire effectuera l'expérience, consistant à refroidir l'échantillon avec un réfrigérateur à dilution, assurant des populations différentes dans les deux modes et à mesurer le courant induit par des mesures à très faible bruit. Toutes ces techniques sont bien maîtrisées par notre groupe.

1 M. Westig et al., Phys Rev Lett 119, 137001 (2017)
2 P. P. Hofer, J.-R. Souquet, et A. A. Clerk, Phys. Rév. B 93, 041418 (2016)
Techniques utilisées au cours du stage :
Nanofabrication, cryogénie, électronique à bas bruit

Mots clés :

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