Électronique et optique du futur
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L'électronique, à la base de l'informatique et donc du traitement de l'information, est fortement consommatrice d'énergie. La dissipation d'énergie est essentiellement liée aux effets résistifs et au transport des charges. Chaque électron possède également un moment cinétique de spin qui s'oriente "up" et "down" selon la direction du magnétisme local. Portée par ce spin, l'information peut alors être traitée par un simple retournement local de son orientation et sans transport de charges, ce qui peut permettre de réduire drastiquement la consommation électrique du dispositif. Mais comment convertir une information usuellement portée par un courant ou une polarisation électrique, vers un support de spins purs ? L'équipe LNO du SPEC, en collaboration avec une équipe du DQMP de l'Université de Genève, montre par une analyse de symétrie que la conversion d'une polarisation de spin en courant de charge à l'interface LaAlO3/SrTiO3 est dominée par le couplage avec des électrons présentant une fonction d'onde porteuse d'un moment cinétique orbital (fonction d'onde hélicoïdale), plutôt qu'avec le spin de ces électrons. Ce résultat ouvre la voie à une plus large utilisation du moment angulaire orbital pur pour le stockage et le traitement de l'information. |
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Une collaboration de physiciens a réalisé un nouveau type de bit quantique supraconducteur à basse fréquence (MHz au lieu du GHz) dont la sensibilité aux charges électriques est à même de permettre le contrôle et la mesure de l’état quantique d’un micro-résonateur mécanique. Le dispositif fournit un composant qui peut permettre des avancées sur une physique nouvelle mêlant gravitation et mécanique quantique. |
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Neutral modes of the fractional quantum Hall effect have been shown to exchange energy with their fractionally charged counterparts, but it remains unknown whether they do so with the nearby integer quantum Hall edge channels. Researchers of the Nanolectronics group of SPEC, in collaboration with teams of the C2N (Palaiseau, France) and NIMS (Tsukuba, Japan) have performed a heat transport experiment in graphene answering this question. By controlling the electrostatics of the edges, they observed a maximal suppression of the thermal conductance in the fractional quantum Hall regime, a clear signature of energy exchanges between integer edge channels and the neutral modes. This work identifies a crucial issue for future quantum circuits in the quantum Hall regime. |
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It has been theoretically predicted by Schmid in 1983 that any Josephson junction shunted by a large-value resistance R should not be superconducting, but insulating in its ground state. Some experiments initially confirmed this theory. In a new well-controlled experiment, a collaboration of physicists from SPEC and German universities show that it is not the case, and solves in that way the paradox that at the R infinite limit, no Josephson Junction should be superconducting ! |
| La détection de photons uniques est un élément clé dans le développement des technologies quantiques, où le signal résultant d'un calcul quantique peut se limiter à l'émission d'un seul photon. Mais au sein des circuits quantiques supraconducteurs à très basse température, ce sont des photons micro-onde, d'énergie cent mille fois plus faible, qui interviennent dans les processus. Avec les chercheurs de l'IRAMIS, une collaboration de chercheurs de laboratoires franciliens a développé une nouvelle méthode de mesure qui présente un rapport signal sur bruit inégalé. |
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Au sein d'un échantillon solide, réduire la température des spins est une bonne méthode pour améliorer le signal de RMN ou de RPE, puisque cela favorise leur polarisation selon la direction imposée par le champ externe appliqué. L'équipe du SPEC propose une méthode très générale et vient de montrer expérimentalement qu'il est possible de refroidir une assemblée de spins à une température inférieure à celle du cristal qui les porte, du fait de leur couplage avec le champ électromagnétique au sein d'une cavité microonde résonante accordée. |
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The electron is an elementary particle carrying the elementary charge "e" that is a fundamental constant of physics. However, in a 2-dimensional confined conductor within an intense magnetic field (~ 10 T), the electrons can be organized into a new topologically correlated quantum state so that the electric current can be transported by fractional charges: e / 3, e / 4, e / 5 .... Neither fermions (like electrons) nor bosons (like photons), these artificial elementary particles are called anyons and are thought to obey a "fractional quantum statistic". Some varieties of anyons could be used for "topological quantum computation", where the quantum information is carried by well defined states (qubit) that are topologically protected. A team from the CEA SPEC , in collaboration with the Cavendish Laboratory of Cambridge (UK) for the elaboration of the material, has shown that it is possible to observe and manipulate anyons of fractional charge e * = e / 3 or e / 5, with microwave photons of frequency f. This is evidenced by the observation, in the presence of a V polarization and a microwave field of frequency f, of an excess photo-assisted noise, measured beyond a threshold voltage VJ given by the Josephson relation: e*VJ=hf. These results have just been published in the journal "Science". The measurement of this threshold brings a new original determination of the fractional charge of anyons. It also proves that anyons can absorb or emit photons, which opens a way for their time-resolved manipulation and attempts to highlight their fractional statistics. |
| La résonance magnétique a un impact important dans nos vies de tous les jours, de l’imagerie médicale au contrôle qualité dans la production de bière. Cette technique utilise de puissants aimants et des impulsions radio-fréquence ou micro-ondes pour révéler de faibles concentrations de molécules dans une substance. Améliorer la sensibilité – ce qui peut être obtenu en augmentant le signal ou en réduisant le bruit – permet à de plus faibles quantités de matériel d’être mesurées et constitue donc une quête incessante de la discipline. |
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Localisés dans tout lien faible entre deux éléments supraconducteurs, des états électroniques bien spécifiques, appelés états d’Andreev, sont présents au sein du gap supraconducteur. Ces états sont observés par exemple dans les expériences réalisées avec des contacts à un seul atome entre deux électrodes supraconductrices. Par un dispositif original, où la boucle supraconductrice et son lien faible sont couplés à un résonateur microonde, il est possible d'exciter et suivre les populations dans une superposition de ces états. L'observation des oscillations de Rabi entre l'état fondamental et le premier état excité d'Andreev, ainsi que la mesure du temps de cohérence du système apportent la démonstration que le système constitue un nouveau type de qubit supraconducteur. |
Les états d’Andreev
Les états d’Andreev apparaissent dans les supraconducteurs inhomogènes : dans un vortex, à proximité d’une impureté magnétique, ou dans un lien faible entre deux supraconducteurs. Dans ces situations, la phase du supraconducteur, propriété macroscopique de la fonction d’onde qui décrit l’état quantique de tous les électrons de conduction, varie alors en fonction de la position. Cette inhomogénéité de la phase conduit à une frustration de la supraconductivité et les électrons au niveau de Fermi gagnent une énergie inférieure au gap supraconducteur Δ lors de la transition supraconductrice. On obtient des états localisés, appelés états d’Andreev. L’excitation d’énergie minimale correspond à une énergie inférieure à 2D, qui est l’énergie minimale pour casser une paire dans un supraconducteur homogène (1,2). Le cas le plus simple est celui d’un lien faible très court, qu’on obtient dans nos expériences en fabriquant un contact à un atome entre deux électrodes supraconductrices formant une boucle (Fig. 1). La différence de phase entre les supraconducteurs de part et d’autre du contact est contrôlée en appliquant un flux magnétique dans la boucle. Le nombre maximum d’états d’Andreev dépend uniquement du nombre de canaux de conduction, qu’on arrive à réduire à essentiellement un seul dans un contact à un atome. En excitant avec un photon microonde l’état d’Andreev depuis son état fondamental |g> (ground state), on accède à un autre état localisé |e> (excited state).
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L’effet Josephson décrit le flot de supercourant à travers un lien faible entre deux supraconducteurs, comme une jonction tunnel, un nanofil ou une molécule. Il est à la base d’une grande quantité de dispositifs (magnétomètres - SQUIDs, convertisseurs fréquence-tension de très haute précision, détecteurs de photons large bande) avec des applications allant de la médecine, à l’information quantique ou encore l'astronomie. Microscopiquement, le supercourant est porté par des états de paires de Cooper localisées au lien faible. Ces états, appelés états d’Andreev, viennent par doublets, et ont des énergies inférieures au gap supraconducteur. Les circuits Josephson existants sont basés sur les propriétés des états fondamentaux de chaque doublet et, jusqu’à maintenant, les états de paires excitées n’avaient jamais été directement détectés. Nos expériences établissent leur existence par des mesures spectroscopiques de contacts atomiques supraconducteurs [1]. |
Le spectre d’énergie d’un supraconducteur massif isolé présente un gap 2Δ autour de l’énergie de Fermi. Ce gap représente l’énergie minimale pour exciter une paire de Cooper. À un lien faible entre deux supraconducteurs, où la phase supraconductrice peut facilement être tordue, le spectre est localement modifié, avec notamment l’apparition de doublets d’états dans le gap. Ces états, appelés états d’Andreev, ont des énergies ±EA qui dépendent de la différence de phase δ entre les électrodes et de la probabilité de transmission des électrons (voir Figure 1). Comme l’énergie des états d’Andreev est inférieure au gap Δ, ils ne peuvent pas se propager dans les supraconducteurs massifs et restent ainsi localisés au lien faible. L’état d’énergie -EA correspond donc à une paire de Cooper localisée dans son état fondamental ; l’excitation de plus faible énergie est une excitation de cette paire de Cooper vers l’état d’énergie +EA.
French versionContact: Dr. Fabien PORTIER
A conductor in equilibrium under a bias voltage shows current fluctuations proportional to its resistance and temperature. This type of noise is known as the Johnson-Nyquist noise, or equivalently, the thermal noise. In a quantum conductor, current fluctuations generate microwave photons which obey chaotic statistics (cf., blackbody radiation) if the conductor is at equilibrium. When the conductor is out-of-equilibrium; however, the stochastic aspect of the electron transport gives rise to different kinds of current fluctuations (quantum shot noise) that muddle the photon statistics. Understanding the link between the statistics of electrons and that of emitted photons is very intriguing as it will reveal the connection between quantum conductors and quantum optics. This problem has recently attracted theoretical interest, and a full spectrum of photon statistics, ranging from chaotic to non-classical, has been predicted [1].
Recently, the Nanoelectronics group at SPEC has performed the first experiments to put theories on test by measuring the statistics of microwave photons radiated by a simplest quantum conductor; a tunnel junction, in the shot-noise regime.
We thought we knew transistor physics fairly well and in particular the millions of MOSFETs (Metal Oxyde Semi-conducteur Field Effect Transistor) which can be found at the core of our computers. However, as early as 1994, a new generation of very high mobility MOSFETs lead to experiments where one could study the regime of extremely low density (Kravchenko et al 1994). The experiments performed on these “extreme transistors” showed very spectacular behaviors: at low density, instead of the expected insulator, one observes a good metallic behavior. (Instead of a divergence of the resistivity at low temperature, one finds that the resistivity decreases by an order of magnitude in a rather narrow window of temperature).
No metal in 2 dimensions. In order to understand why these experimental results were at the origin of a very important research activity, both theoretical and experimental, one must go back to the celebrated article of P.W. Anderson (« Absence of diffusion in certain random lattices », Anderson 1958) for which he was later given the Nobel prize. Anderson studies the effect of a very weak disorder in metals and concludes that at very low temperature (i.e. for a system with quantum coherence), the multiple interferences generated by the reflections on this disorder lead to the localization of the metal wave functions, hence to an insulating behavior. In particular, the effect is very strong in one and two dimensions (as in our MOSFETs) where one finds that an arbitrary weak disorder is enough to drive the system to the insulating limit. During the next 20 years, the scientific community studied localization and verified this paradigm both experimentally and theoretically: there is no metal in two dimensions. The SPEC laboratory was at the origin of key contributions, through in particular, the work of M. Sanquer and J-L Pichard.
The ideal suspect, electronic correlations. The Kravchenko experiments, later reproduced in various experimental groups (including at SPEC in D. L’hôte group) were at the origin of a small revolution in the quantum transport community. Models and physical mechanisms to explain the experimental data came from everywhere to try and conciliate the theory with the observed metallic behavior. Some were looking for experimental artifacts why others came up with weird or ad hoc models. There was only one point on which everybody agreed on : at very low density, electron-electron correlations due to Coulomb repulsion are huge and should be seriously taken into account in the theory. The bad news was that these correlations resist to most theoretical approaches.
Localization and Corelations. During the PhD thesis of Geneviève Fleury, we have developed a numerical approach which uses quantum Monte-Carlo to solve the quantum many-body problem and scaling theory to extract the thermodynamic limit. With this approach, we were able to study, for the first time, the problem of the interplay between Anderson localization and electron-electron correlations. The phase diagram that we have obtained ab-initio (without any adjustable parameters) does show a metallic phase in the experimental regime where it was observed (see figure). The scenario that emerges from our calculations is mixed: On one hand correlations are at the origin of the experimental observations so that new physics arises from the correlations. On the other hand the system is still an insulator in the thermodynamical sense. In other words, we predict that at even lower temperatures the resistivity must diverge in accordance with Anderson localization paradigm.
