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Theses Year : 1997

Quantum coherence and electron transport in superconducting hybrid nano-circuits

Transport et cohérence quantique dans les nanocircuits hybrides supraconducteur-métal

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Abstract

In this work, we study how the conductance of a mesoscopic-scale normal metal circuit is modified by the action of a superconductor. First we describe different existing theories, and then we present very low temperature (down to 20 mK) measurements demonstrating the non-local effects appearing in the conductance of the normal metal induced by the superconductivity. We show that the metallic conductance is strongly energy dependant, and that the energy scale is the Thouless energy. In an Aharonov-Bohm geometry, interference experiments demonstrate the long range quantum coherence of electron pairs (2e) in the normal metal. The experimental results are explained in detail in the framework of the quasiclassical Green's functions theory. Comparison with theory shows the important influence of the reservoir-like external parts of the sample. We present a novel technology allowing the fabrication on hybrid Niobium-Copper mesoscopic structures. In order to control the formation of oxide barriers, we developed an Ultra-High-Vacuum valve extracting pure Oxygen from the ambient air. A C++ program is described used for the calculation of the conductance of any hybrid circuit made of normal and superconducting metal. When two superconductors, connected through a normal metal, are held at a constant voltage, the a.c. Josephson effect modulates the energy-dependant density of states in the normal metal. We propose an experiment which will evidence the influence of the variations of the density of states on the transport properties of the electrons.
Nous avons étudié l'action à l'échelle mésoscopique de la présence d'un supraconducteur sur la conductance d'un circuit de métal normal. Après une discussion de différentes théories concernant ce sujet, nous présentons des mesures à très basse température (20 mK) mettant en évidence l'action non locale de la supraconductivité sur la conductance métallique. Nous montrons que la conductance du métal normal est alors fortement dépendante de l'énergie des électrons, l'énergie caractéristique étant l'énergie de Thouless. Une expérience d'interférence effectuée dans la configuration Aharonov-Bohm met en évidence la portée de la cohérence quantique de paires d'électrons dans le métal normal. Nous effectuons une comparaison détaillée avec la théorie des fonctions de Green quasiclassiques. Cette comparaison met en évidence le rôle important joué par les parties extérieures de l'échantillon qui constituent les réservoirs. Nous présentons une technique originale de fabrication d'échantillons mésoscopiques hybrides de Niobium et de Cuivre. De plus, afin de pouvoir contrôler la formation des barrières tunnel, nous avons développé une vanne permettant de maîtriser l'entrée, dans un enceinte à Ultra-Vide, d'oxygène pur à partir de l'air. Nous décrivons un programme écrit en langage C++, qui permet de calculer la conductance d'un circuit hybride quelconque composé de métal normal et de supraconducteur. Dans le cas où deux supraconducteurs sont présents à des tensions différentes, l'effet Josephson alternatif module la densité d'états dans le métal normal. Nous présentons une expérience, en cours de développement, visant à mesurer les effets de ces variations de la densité d'états sur le transport.
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Dates and versions

tel-00140666 , version 1 (09-04-2007)

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  • HAL Id : tel-00140666 , version 1

Cite

Pierre Charlat. Transport et cohérence quantique dans les nanocircuits hybrides supraconducteur-métal. Supraconductivité [cond-mat.supr-con]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 1997. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00140666⟩

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