Résonateurs en Silicium Supraconducteur – SUPERR

Nous proposons une étude fondamentale, couplée à l’exploration de premières applications, des propriétés haute fréquence du silicium supraconducteur fortement dopé bore. Ce matériau hors équilibre, synthétisé pour la première fois dans notre groupe, est très stable et est obtenu par dopage laser. Nous avons jusque-là étudié ses propriétés et évalué ses principaux paramètres en configuration 3D (épaisseur~100nm). Néanmoins, la supraconductivité a été aussi observée dans la limite 2D (épaisseur <50nm).
Les perspectives ouvertes par la récente démonstration de jonctions Josephson et SQUIDs tout-silicium nous conduisent vers les propriétés RF, très mal connues mais fondamentales pour une électronique quantique supraconductrice de fort impact pour l’information quantique. Cette étude est d’autant plus pertinente que la faisabilité des quits de spins en technologie silicium vient d’être récemment démontrée. Dans ce contexte, l’apport de résonateur supraconducteurs en silicium pourra s’avérer cruciale pour une technologie intégrable. Les résonateurs RF utilisés pour cela sont des guides d'ondes coplanaires (CPW) et des résonateurs localisés (formés par des méandres inductifs et des condensateurs interdigités).
Nous étudierons d'abord les paramètres régissant l'apparition de la supraconductivité dans les films et fils de quelques nanomètres d'épaisseur dans les limites 2D et 1D, et nous caractériserons leurs propriétés supraconductrices. La quantité et non la concentration de dopants étant le paramètre apparemment dominant, de fortes concentrations d’atomes de bore, aléatoirement dispersés par le laser, sont nécessaires et vont induire un désordre sur les couches minces de Si:B, pas forcément négatif de par nos études préalables mais siège d’une compétition entre localisation (isolant) et paires de Cooper (supra) avec une transition que nous essaierons de mettre en évidence.
Nous testerons l'influence d'un potentiel de grille sur le silicium supraconducteur, rendue possible grâce à la densité de porteurs 100-1000 fois plus faible que dans un métal. La modulation par effet de champ des propriétés supraconductrices (dc ou rf) du silicium pourrait se révéler fondamentale pour la conception d’applications.
L’étude des propriétés haute fréquence repose sur l’étude de résonateurs dont le comportement avec la température, le dopage et l’épaisseur de la couche permettra d’accéder aux mécanismes de pertes et à la durée de vie des quasiparticules, mettant en évidence de possibles écarts de la théorie BCS lors du passage d'un régime 3D à 2D. De plus, nous sonderons les effets de grille évoqués pour tenter de moduler les propriétés de résonance.
Enfin, nous testerons la possibilité matérielle de réaliser des Détecteurs à Inductance Cinétique (KID) pour la détection très sensible de photons astronomiques, dispositifs prometteurs car le Si supraconducteur a une Tc et une résistance à l’état normal facilement ajustables, ainsi qu’une grande inductance cinétique.
C’est donc la physique d’un supraconducteur covalent désordonné à faible nombre de porteurs que nous allons ainsi mieux comprendre ce qui permettra en même temps de progresser dans les applications du silicium supraconducteur.