Blanc SIMI 10 - Blanc - SIMI 10 - Nanosciences

Production of Electronic Quartets in Superconducting Josephson Bijunctions – NANOQUARTETS

..Emission de quartets comme paires de Cooper corrélés dans des bi- ou trijonctions Josephson

..Une bi- ou trijonction est un élément de circuit quantique généralisant à 3 contacts les classiques jonctions Josephson. Il s'agit d'un objet nouveau dont le potentiel fondamental et appliqué est très important : corrélation de paires de Cooper, intrication quantique, photonique microonde. Toute la physique des jonctions Josephson est à refaire avec ce système possédant de nouveaux degrés de liberté qu'il est possible de contrôler.

..Datection et caractérisation, expérimentale et théorique, de quartets d'électrons

..Le projet repose sur un socle de travaux préliminaires très solide, tant du point de vue expérimental que théorique. Le premier enjeu est une analyse poussée et une interprétation théorique des anomalies de transport V(I) dans la trijonction à 3 terminaux supraconducteurs. Deux variables de courant (et de potentiels ou de phase) sont couplées. Un second enjeu est une mesure de la cohérence de phase et de la dépendance courant-phase des quartets, dans l'un ou l'autre des systèmes expérimentaux à l'étude. On peut procéder par réflectométrie LC ou bien en généralisant les SQUIDS à ce système plus complexe. Le troisième enjeu consiste à utiliser les quartets et résonances d'ordre plus élevées comme source non-linéaire de photons microondes corrélés : ce domaine de l'amplification paramétrique et de l'optique microonde est en plein essor actuellement. <br />Les enjeux théoriques préparent et accompagnent les objectifs expérimentaux : étude diagrammatique du transport hors équilibre, descriptions phénoménologiques basées sur une relation courant(s)-phase(s).

..Théorie : méthodes de transport électronique hors équilibre (fonctions de Green de Keldysh), étude de circuits classiques contenant une bijonction.
Expérience : transport Josephson dc dans des structures à 3 terminaux, mesure de courants par SQUIDS. Réflectométrie ac en cavité microonde

..Théorie : calcul non perturbatif des résonances de quartets à des potentiels commensurables, pour des bijonctions à double dot ou métalliques balistiques.
Expérience : détection des 3 modes de quartets dans une trijonction métallique diffusive, avec des tensions plus grandes que l'énergie de Thouless, ce que seuls les quartets peuvent expliquer.

..La bi- ou trijonction Josephson st un nouvel élément de circuit dans lequel coexistent les deux signatures de l'effet Josephson, continu (Jdc) et alternatif (Jac) qui sont incompatibles dans des jonctions simples gouvernées ou bien par la phase (Jdc) ou par la tension (Jac). Ceci implique de revisiter toute la physique Josephson des jonctions tunnel aux jonctions métalliques ou contacts ponctuels (et points quantiques); et permet d'envisager des applications en termes d'intrication quantique et de corrélations de photons microondes. un défi expérimental est de contrôler indépendamment (notamment dans des géométries SQUID) les deux variables «potentiels« et «phase« dont dépend la physique des quartets et autres résonances multipaires. Un défi technique est de calculer les caractéristiques V(I) pour des potentiels quelconques et pas seulement commensurables.

.1. Multipair Josephson resonances in a biased all-superconducting bijunction (T. Jonckheere, J. Rech, T. Martin, B. Douçot, D. Feinberg, R. Mélin, Phys. Rev. B, sous presse)
2. Subgap structure in the conductance of a 3-terminal Josephson junction (A. Pfeffer, J.E. Duvauchelle, H. courtois, R. Mélin, D. Feinberg, F. Lefloch, en préparation)

Four-electron correlations will be induced in a Josephson bijunction formed by two junctions separated by a distance smaller than the coherence length. In addition to the usual Josephson effect in each junction, nonlocal Andreev processes between the junctions produce simultaneous transfer of two pairs (a nonlocal quartet), one in each side of the bijunction. The quartet current depends on the sum of the phases of the closeby junctions. This project aims at creating and detecting such nonlocal quartets by transport experiments, and extending the theoretical understanding as well as modelizing the experiments. The superconducting samples will have three current terminals and will involve either all-metallic junctions or tunable junctions made of carbon nanotube quantum dots. Both kinds of samples are already available or will be easily provided from previous experience with similar devices. The most striking prediction is the existence of a dc Josephson component due to quartets even in presence of voltage biases, provided both junctions are biased at opposite voltages. The detection of this dc quartet resonance will be achieved either by direct I(V) measurements or by Shapiro steps observation. A second set of experiments aims at detecting the dependence of the quartet current with the sum of the phases of the two junctions. This will involve generalizations of the usual SQUID for instance with two-loop circuits. All experiments will reveal the charge 4e of quartets. At last, a more exploratory topic is that of four-particle entanglement induced by quartet formation. The whole project relies on : i) a solid theoretical background; ii) existing samples; iii) existing experimental set-ups aimed at measuring three-terminal transport and the corresponding correlations. Promising results, both in theory and experiments, have been obtained in very preliminary studies, guaranteeing future observation of electron quartets in Josephson bijunctions. Beyond such experiments, generalization to arrays of Josephson junctions or mesoscopic grains open a vast field of research and potential applications, due to the nontrivial coupling of local phases, and the coexistence of dissipative and nondissipative currents, a new feature in superconductivity.

Project coordinator

Monsieur Régis MÉLIN (Laboratoire public)

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partner

INAC Institut de Nanosciences et Cryogénie, CEA
CNRS ENS LPA CNRS ENS Laboratoire Pierre Aigrain, ENS
CPT Centre de Physique Théorique
LPTHE Laboratoire de Physique Théorique et des Hautes Energies, Paris VI

Help of the ANR 511,000 euros
Beginning and duration of the scientific project: October 2012 - 36 Months

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