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Theses Year : 2017

Signatures of a 4pi periodic Andreev bound state in topological Josephson junctions

Etudes des signatures d'un mode lié d'Andreev 4pi periodique dans les jonctions Josephson topologiques

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Abstract

Three dimensional topological insulators (3D TI) are a new state of matter composed of an electrically insulating bulk covered by metallic surface states. Theoretically, a topo- logical Josephson junction composed of these surface states can host an Andreev Bound state (ABS) that has twice the periodicity of the conventional 2π periodic ABSs. The 4π periodic ABS is expected to be the building block of topological quantum computing. Therefore, we study the dynamic of this particular ABS by performing Shapiro measure- ment on Josephson junctions built with bismuth based 3D TI. To identify the effects of a 4π periodic ABS in a Shapiro measurement, we use a phe- nomenological model that simulates the voltage-current characteristics of a TJJ. We predict two signatures of the 4π periodic ABS and estimate their robustness against Joule heating and thermally activated quasiparticle poisoning of the 4π periodic mode. We study the Josephson junctions dynamics by performing Shapiro measurements on junctions built on Bi2Se3. We observe the two previously anticipated signatures, which are the non-conventional appearance order of the Shapiro steps and the remaining of a supercurrent at the closing of the Shapiro step n = 0. They prove the presence of a 4π periodic ABS. We also study the topological insulator BiSbTeSe2 that we have grown by using the melting growth method. By superconducting interferometric measurements, we show a superconducting surface transport without bulk electronic conduction.
Les isolants topologiques 3D sont un nouvel état de la matière décrit par un volume iso- lant électriquement et recouvert par des états de surface métalliques. Une jonction Joseph- son topologique (TJJ) formée autour de ces états de surface peut théoriquement contenir un mode lié d’Andreev ayant une périodicité doublée par rapport aux modes liés d’An- dreev conventionnels 2π périodiques. Le mode d’Andreev 4π périodique serait la brique élémentaire de l’ordinateur quantique topologique. Ainsi, nous étudions la dynamique de ce mode particulier lors de mesures de Shapiro sur des jonctions Josephson fabriquées sur des isolants topologiques à base de bismuth. Afin d’identifier les effets d’un mode 4π-périodique dans une mesure de Shapiro, nous utilisons un model phénoménologique permettant de simuler la caractéristique courant- tension d’une TJJ lors de telles mesures. Nous prédisons deux signatures du mode 4π- périodique et estimons leur robustesse face aux effets de chauffage par effet Joule et face à un modèle d’empoisonnement thermiquement activé du mode 4π-périodique. Par des mesures de Shapiro, nous étudions la dynamique des TJJ basées sur le matériau simple qu’est le Bi2Se3. L’observation des deux mêmes signatures précédemment anticipées par nos simulations, à savoir un ordre d’apparition non conventionnel des pas de Shapiro ainsi que la persistance d’un supercourant à la fermeture du plateau de Shapiro n = 0 prouve la présence d’un mode 4π-périodique. Notre étude s’est également portée sur un autre isolant topologique le BiSbTeSe2. Nous avons effectué sa croissance par cristallisation liquide-solide et avons mis en évidence, par des mesures d’interférométrie supraconductrice une supraconductivité de surface sans transport électronique par le volume.
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tel-01575507 , version 3 (16-11-2018)

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Cite

Kevin Le Calvez. Signatures of a 4pi periodic Andreev bound state in topological Josephson junctions. Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect [cond-mat.mes-hall]. Universite Grenoble Alpes, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01575507v2⟩
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