Sauts de Phase Quantiques dans les nanofils – QPSNanoWires

Une jonction Josephson (jonction tunnel entre deux électrodes supraconductrices) est le seul composant électrique non linéaire et non dissipatif connu à ce jour. Ces deux propriétés le placent au cœur de tous les composants électroniques supraconducteurs, des magnétomètres à SQUIDs aux standards du Volt (obtenus grâce à des réseaux de jonctions Josephson sous illumination micro-ondes), en passant par les circuits supraconducteurs développés récemment pour l’information quantique.

Notre projet vise à tester la faisabilité et les propriétés d’un autre dipôle supraconducteur non linéaire non dissipatif dont le principe a été proposé par Mooij et Nazarov il y a presque dix ans : la jonction à saut de phase quantique (Quantum Phase Slip Junction QPSJ en anglais) [1]. Une QPSJ consiste en un mince fil supraconducteur reliant deux électrodes supraconductrices, et sensé se comporter comme l’exact dual (au sens quantique) d’une jonction Josephson : leurs comportements sont identiques, à condition d’échanger le rôle de la différence de phase supraconductrice et de la charge accumulées aux bornes du dipôle. De même qu’une jonction Josephson réalise la superposition cohérente d’états caractérisés par le transfert par effet tunnel de différents nombres de paires de Cooper, une QPSJ réalise la superposition cohérente d’états caractérisés par des écarts de phase entre les deux extrémités du fil différant de multiples de 2pi, que l'on peut également voir comme un effet tunnel cohérent de quanta de flux en travers du fil. L’implémentation de QPSJs constituerait une percée majeure en électronique supraconductrice. En irradiant un QPSJ par des micro-ondes, on implémenterait une expérience duale de celle de l’effet Josephson AC: au lieu d’établir une relation métrologique entre la seconde et le Volt, on obtiendrait une relation entre l’Ampère et la seconde. De même, les QPSJ seraient la brique de base d’une électronique supraconductrice de très haute impédance, ouvrant d’innombrables possibilités.

Depuis la suggestion de Mooij et Nazarov [1], plusieurs expériences menées dans différents laboratoires ont cherché à sonder la physique des QPSJ, ne confirmant que partiellement les prédictions, apportant plus de questions que de réponses. Plus concrètement, non seulement, le dual de l’effet Josepshon AC n’a pas été observé, mais même quand la superposition cohérente de sauts de phase a été observée [2,3], le temps de cohérence associé était étonnamment court. Enfin, la simple modulation périodique de la charge aux bornes d’un fil supraconducteur n’a pas été clairement observée [4]. Pour conclure, la possibilité de réaliser de façon contrôlée et versatile un composant Josephson dual reste à établir.

Nous pensons qu’il est temps de procéder d’une façon plus systématique que dans les expériences ponctuelles réalisées jusqu’à présent, en appliquant les méthodes ayant permis l’implémentation d’une l’électrodynamique quantique en cavité des circuits supraconducteurs. Notre consortium possède les compétences requises pour sonder la physique des QPSJ par cette approche. En combinant nos talents et en progressant de façon systématique, en partant de la caractérisation des matériaux et des problèmes liés au désordre, nous devrions pouvoir obtenir des dispositifs à QPSJ pleinement fonctionnels.

[1] Mooij and Nazarov, Nat. Phys. 2, 169 (2006).
[2] Astafiev et al., Nature 484, 355 (2012),
[3] Peltonen et al. Phys. Rev. B 88, 220506(R) (2013)
[4] Hongisto and Zorin, Phys. Rev. Lett. 108, 097001 (2012)