Calorimetry of a Phase Slip in a Josephson Junction
Calorimétrie d'un saut de phase dans une jonction Josephson
Résumé
Magnetic flux which is continuous quantity in the classical world, becomes quantized when confined at the center of a superconducting loop. A quantum of flux can penetrate in/out of the loop under certain conditions via thermal activation or macroscopic quantum tunneling. Josephson junction, a key building block of the superconducting quantum devices, provides a straightforward implementation of this event where the transfer of a Cooper pair between the two superconducting reservoirs is visualized as the transverse tunneling of the magnetic flux quantum.By bringing these concepts together in a superconducting quantum interference device (SQUID), it becomes possible to generate a so-called phase slip where a flux quantum enters/leaves the loop and the superconducting phase winds by 2 π in a deterministic manner. This event is of dissipative nature when the SQUID operates in the strongly screening (hysteretic) regime therefore can be detected via calorimetry methods.In this thesis, we demonstrate the real time detection of a phase slip which is manifested as the abrupt increase and the subsequent relaxation of the electronic temperature of the Normal island placed in the SQUID loop as a weak link. The system is embedded in a microwave resonator. The phase slips are generated by nanosecond pulses sent on an on-chip flux line, and the temperature excursion is read via the variation of the transmitted power by exploiting the proximity effect as a secondary thermometer.By addressing the observation of an elementary dissipative event, this work provides an insight on the role of dissipation ubiquitous in superconducting devices and showcases the potential use of the fast nano-calorimeters in the field of quantum sensors.
Le flux magnétique qui est une quantité continue dans le monde classique, devient quantifié lorsqu'il est confiné au centre d'une boucle supraconductrice. Un quantum de flux peut pénétrer ou quitter la boucle sous certaines conditions via une activation thermique ou un effet tunnel quantique macroscopique. La jonction Josephson, un élément clé des dispositifs quantiques supraconducteurs, fournit une mise en œuvre simple de cet événement lors duquel le transfert d'une paire de Cooper entre les deux réservoirs supraconducteurs est visualisé comme le tunneling transversal du quantum de flux magnétique.En réunissant ces concepts dans un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), il devient possible de générer un saut de phase où un quantum de flux pénètre ou quitte la boucle et la phase du supraconducteur s'enroule de 2 π de manière déterministe. Cet événement est de nature dissipative lorsque le SQUID fonctionne dans le régime hystéretique et peut donc être détecté par des méthodes de calorimétrie. Dans cette thèse, nous démontrons la détection en temps réel d'un saut de phase qui se manifeste par l'augmentation abrupte et la relaxation subséquente de la température électronique du métal normal qui sert de lien faible du SQUID. Notre système est intégré dans un résonateur micro-onde. Les sauts de phase sont générés par des impulsions nanosecondes envoyées sur un ligne de flux 'on-chip', et l'excursion de température est lue via la variation de la puissance transmise parexploitant l'effet de proximité comme thermomètre secondaire.En abordant l'observation d'un événement dissipatif élémentaire, cette thèse souligne le rôle de la dissipation omniprésente dans les dispositifs supraconducteurs et met en valeur l'utilisation potentielle des nano-calorimètres rapides dans le domaine des capteurs quantiques.
Domaines
Physique [physics]| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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