Jonctions Josephson contrôlées Electrostatiquement dans les Dichalcogénures – JJEDi

Fabrication de Jonctions Josephson contrôlées en tension de grille: Nous développerons le composant présenté figure 1. D'une part, une phase supraconductrice 2D sera obtenue via l'application d'une grille avant, VTg. D'autre part, les propriétés de la jonction pourront être contrôlées en ajustant le lien faible dans un état métallique ou isolant avec une grille arrière locale, VCG. L'échantillon final présentera des liens faibles de quelques nanomètres de large obtenus grâce des grilles locales en nanotubes de carbone. La grille arrière standard, VBG, permettra d'ajuster finement les propriétés supraconductrices à basse température (lorsque la grille ionique devient inefficace).
Une approche incrémentale a été choisie: démonstration de la transition métal-isolant, puis métal-supraconducteur, développement des grilles locales, et enfin, combinaison des différentes grilles.
Conception du système de mesure: de l'effet Josephson DC au mesures de cohérences en radiofréquence. De manière similaire, le projet vise à progressivement effectuer des mesures de magnétotransport en température, avec contrôle de l'orientation du champ magnétique, puis l'application d'une excitation radiofréquence jusqu'au contrôle quantique. Nous disposons d'un système de mesure bas bruit de la magnétorésistance (en DC et basse fréquence). Nous développerons l'excitation haute fréquence combinée à la rotation dans un insert à température variable (VTI,de 300 K à 1.7K), ainsi que la rotation à 300mK (insert He3). finalement, l'échantillon sera connecté directement à l'excitation RF pour sonder les réponses cohérentes des états quantiques.

Nous avons mis en évidence et étudié en détail la résistance de contact et les transitions métal-isolant dans des TMDs monocouche obtenus par CVD.

Le développement des grilles locales et ioniques est en cours. L'étude des transitions métal-supraconducteur et de l'efficacité des grilles locales est prévu à cours terme.
De nouveaux TMDs prommeteurs ont été identifiés et seront testés grâce au développement d'un système de transfert utile à l'obtention de TMDs de haute qualité.
Il est raisonnable d'envisager la démonstration des jonctions Josephson ajustables avant la fin du projet, ainsi que l'évaluation de la nature topologique des phases observées.

Les deux premiers articles sont en cours de rédaction.

Les Jonctions Josephson (JJs) sont étudiées pour leur capacité à révéler les propriétés supraconductrices, et aussi pour leurs applications en magnétométrie et en conversion tension-fréquence. Les JJs sont obtenues en combinant deux supraconducteurs séparés par un autre matériau ou un "lien faible". Le couplage des JJs avec des photons radiofréquences, la possibilité de concevoir des jonctions topologiques, a renforcé l'intérêt de ces dispositifs pour le calcul quantique.
D’autre part, il existe une riche physique dans les multicouches de dichalcogénures des métaux de transition (TMDs). La supraconductivité 2D de ces matériaux coexiste avec un fort couplage spin-orbite, orientant les spins hors-plan, tandis que le champ électrostatique oriente les spins dans le plan. Cette combinaison conduit à diverses phases non conventionnelles, et en particulier à une supraconductivité topologique, qui mérite et nécessite encore d’être étudiée en détail expérimentalement.
En modulant la densité de charges dans les TMDs semi-conducteurs par la mise en œuvre de transistors électriques à double couche (EDLT), une supraconductivité exotique a été observée au-dessous de quelques Kelvin. Des grilles ultra-locales utilisant des nanotubes ont également permis de réaliser des nano jonctions p-n-p accordables dans les TMDs. Par conséquent, les TMDs offrent une nouvelle plate-forme prometteuse pour concevoir des JJs topologiques planaires.

Le projet JJEDI s'attaque à deux défis principaux : combiner différentes techniques avancées de nanofabrication ; et démontrer la manipulation quantique dans un nouveau type de JJs. Ces deux défis peuvent être levés de manière réaliste en combinant une approche systématique et incrémentielle, qui maintiendra des solutions alternatives ouvertes vers ces objectifs. L'objectif principal de ce projet est de développer des JJs accordables (de S-I-S à S-N-S et même S-S'-S) basées sur des TMDs: MoS2 et WS2. L'accent sera mis sur les TMDs à base de sulfure, car ils présentent la température critique la plus élevée, et le plus faible niveau de dopage nécessaire pour atteindre la supraconductivité. Les monocristaux seront utilisés comme matériau unique formant la jonction (y compris le lien faible) et la supraconductivité ajustée par grille locale. Ainsi, ces JJs seront sans interfaces et/ou imperfection. Cette approche sera poussée à la limite de quelques nanomètres de large pour les grilles, par l’usage de nanotubes métalliques. Les TMDs étant facilement modulables en tension, ces JJs pourront être envisagés comme briques élémentaires pour la spintronique et l'information quantique.
Nous étudierons nos dispositifs avec des expériences de transport. Une compréhension approfondie des propriétés de phase et de spin de nos JJs sera obtenue en mesurant les caractéristiques courant-tension, sous champ orienté et sous excitation par radiofréquence. La démonstration d'anomalies dans ces dépendances pointera vers des états topologiques ou d'autres états liés. Enfin, la démonstration du couplage cohérent avec des états quantiques à longue durée de vie se fera à travers l'observation d'anti-croisement dans la réponse RF couplée à un guide d'onde.

Les chances d'atteindre les meilleures conditions pour l'observation et le contrôle des états liés topologiques seront maximisées par cette approche qui permet de contrôler les régions supraconductrices/lien faible en faisant varier le couplage spin-orbite dans le plan et hors-plan, et le type de dopage (électron ou trous). De plus, l'épaisseur du matériau permettra de choisir entre différents mécanismes d'appariement (médiation phonon/Ising). La température et le champ magnétique permettront de contrôler le supercourant tunnel (et sa phase) dans les JJs. Enfin, les mesures de radiofréquence permettront de confirmer l'apparition de la supraconductivité topologique et les durées de vie extrêmement longues associées, nécessaires à leur manipulation dans les applications futures.