AmplificateuR ParamétriquE Josephson à haute Tc – ARPEJ

Le développement des technologies hautes fréquences dans la gamme millimétrique (30-300 GHz) ouvrent de nombreuses perspectives dans des domaines technologiques variés, notamment celui des systèmes de communication et de traitement de l’information. L'un des éléments clés dans la chaine de traitement du signal est l'amplificateur dont les caractéristiques de gain, de bande passante et de bruit vont déterminer en grande partie les performances de la chaine. Les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de phosphure d'indium et d'arséniure de gallium offrent actuellement de très bonnes performances pour une amplification à faible bruit dans la gamme [1-100GHz] lorsqu'ils sont refroidis à des températures cryogéniques (<10 K). Ils présentent généralement des gains élevés (>20dB), des bandes passantes de une ou plusieurs octaves et une grande plage dynamique. Pour les applications les plus exigeantes comme par exemple la lecture non-destructive de l'état de bit quantiques ou pour la radioastronomie, les amplificateurs paramétriques Josephson (Josephson Parametric Amplifier - JPA - en anglais) offrent de meilleurs performances de bruit en s'approchant de la limite quantique. Ces amplificateurs exploitent la réponse non-linéaire de jonctions Josephson ou de SQUIDs supraconducteurs pour transférer l'énergie d'un signal de pompe de forte amplitude au signal à traiter. Les JPA conventionnels incorporent généralement des éléments résonants mais lorsque des bandes passantes d'une ou plusieurs octaves sont nécessaires, les JPA à ondes progressives conçus comme des lignes de transmission microonde comportant de multiple éléments Josephson sont préférables.
Les amplificateurs paramétriques sont aujourd'hui exclusivement fabriqués avec des matériaux supraconducteurs conventionnels tels que l'Aluminium ou le Niobium. Ils sont opérés à très basse température dans des cryostats à dilution (<50mK) pour s'affranchir des fluctuations thermiques et fonctionnent généralement dans une gamme de fréquence restreinte [1-10GHz]. Pour rendre cette technologie plus accessible, notamment dans les domaines d'applications n'exigeant pas une sensibilité ultime (communications, spatial, environnement...), il serait très intéressant d'étendre la plage de température de fonctionnement de ces amplificateurs (30-50K), et limiter ainsi la contrainte d'une cryogénie lourde. De même, pour suivre la montée en fréquence des technologies millimétriques, il est souhaitable d'étendre les fréquences de fonctionnement jusqu'à 100GHz et au-delà, gamme dans laquelle les amplificateurs HEMT peinent à fonctionner.
L’objectif du projet ARPEJ est d’exploiter l’effet Josephson pour réaliser des amplificateurs très-bas bruit et à basse consommation énergétique, ce qui établirait une technologie habilitante pour la nouvelle génération des capteurs millimétriques. Le projet vise à fabriquer des amplificateurs paramétriques Josephson à ondes progressives entièrement en supraconducteurs à haute température critique (YBa2Cu3O7) fonctionnant à une température comprise entre 30K et 50K. Le design sera adapté des travaux récent du partenaire Institut Néel et le dispositif sera réalisé en utilisant la technologie des jonctions Josephson irradiées développée depuis plusieurs années au sein du partenariat ESPCI-THALES-C2N. Le potentiel haute fréquence de ces jonctions a déjà été démontré avec la réalisation de mélangeurs Josephson hétérodynes opérant jusqu'à 400 GHz. Un premier démonstrateur fonctionnant dans la bande Ka (26.5-40 GHz) notamment utilisé pour les communications satellites et les radars permettra d'évaluer le potentiel de la technologie. Le but final sera de réaliser un amplificateur paramétrique opérant dans la gamme W (75-110GHz) correspondant à l'une des fenêtres de transmission atmosphérique. Les technologies développées dans le projet ARPEJ concernent très directement les domaines d'activité du partenaire industriel THALES TRT.