La dynamique des quasi-particules à haute énergie «formant des points chauds» dans un nanofil supraconducteur

Les quasiparticules énergétiques possèdent un ensemble de caractéristiques quantiques qui fonctionnent comme des particules dans les nanostructures supraconductrices, et elles peuvent subir une relaxation en impliquant de nombreuses interactions en cascade entre les électrons, les phonons et Cooper paires. Ces interactions sont importantes pour les performances de dispositifs tels que les qubits ou les détecteurs de photons, mais elles restent à bien comprendre via quasi-particule expériences réglementées. En règle générale, ces expériences ont incorporé des jonctions tunnel à l’état solide avec une barrière tunnel fixe.

Dans un nouveau rapport en Physique naturelleT. Jalabert et une équipe de chercheurs en France ont utilisé un microscope à effet tunnel pour régler indépendamment l’énergie et le taux d’injections de quasi-particules via la tension de polarisation et le courant tunnel. Les quasi-particules à haute énergie s’appuyaient sur la puissance injectée et le taux d’injection pour produire un courant critique réduit sur le nanofil. Les résultats ont mis en évidence un mécanisme thermique sous-jacent à la réduction du courant critique pour donner un aperçu de la dynamique rapide d’un point chaud généré.

Les performances des dispositifs supraconducteurs

Les dispositifs supraconducteurs sont souvent limités ou régis par la dynamique des quasi-particules, où les quasi-particules en excès ne sont pas bénéfiques pour des dispositifs tels que micro-refroidisseurs supraconducteurs et qubits supraconducteurs. Cependant, connaître le mécanisme précis sous-jacent à la dynamique des quasi-particules est important afin d’optimiser les performances du dispositif et de fournir une condition préalable au fonctionnement des détecteurs de photons. Malgré d’intenses efforts de recherche, il reste aux physiciens à comprendre les processus à risque lors de la relaxation énergétique des quasi-particules dans les supraconducteurs porteurs de courant.

Dans une proposition récente, des physiciens expérimentaux avaient mis au point un tout-métal Transistor à effet de champ Josephson, qui reposait sur la régulation de son courant critique après application d’une tension de grille. Cela a donné lieu à une controverse considérable puisqu’il suggérait un effet de chauffage après injection de quasi-particules à haute énergie. Les expériences précédentes aussi employé régulièrement une méthode; cependant, il a empêché le démêlage entre les effets de courant et de tension, que Jalabert et ses collègues ont surmonté en utilisant un microscope à effet tunnel (STM) pour injecter localement des quasi-particules dans un nanofil supraconducteur et mesurer simultanément son courant critique.

Physique expérimentale avec microscopie à effet tunnel (STM)

Le processus de localisation et de contact d’une nanostructure individuelle avec un microscope à effet tunnel est difficile en raison de l’incompatibilité intrinsèque du microscope pour isoler une nanostructure. Les physiciens et les scientifiques des matériaux s’étaient auparavant concentrés sur la combinaison microscopie à force atomique et STM, bien que les deux méthodes soient techniquement fastidieuses. Dans cette étude, Jalabert et l’équipe ont utilisé STM pour localiser et mesurer le nanodispositif et ont étudié six nanofils supraconducteurs avec différentes épaisseurs totales nominales de niobium/or.

Ils ont mesuré le courant critique après l’injection de quasi-particules au milieu du nanofil et ont noté comment le courant critique dépendait de la puissance injectée. Dans un cadre thermodynamique, chaque quasi-particule injectée dans le montage a relaxé son énergie pour phonons, qui a ainsi brisé des centaines de paires de Cooper pour générer de nombreuses quasi-particules hors équilibre qui ont formé le soi-disant point chaud. Cette cascade de down-conversion s’est produite dans un laps de temps très court de l’ordre des picosecondes.

Dynamique des points chauds

À l’aide de la microscopie à effet tunnel, Jalabert et ses collègues ont cartographié le courant en fonction de la position de la pointe pour des conditions d’effet tunnel fixes. Au fur et à mesure que la position de la pointe s’éloignait des conducteurs ou que la puissance injectée augmentait, le courant critique diminuait davantage. Les physiciens ont déterminé la température électronique locale à partir du courant critique mesuré et ont noté un accord remarquable entre le modèle thermique unidimensionnel. Toutes les données expérimentales étaient à l’appui d’une réduction thermique du courant critique induite par des quasi-particules chaudes. Ils ont montré comment un excès de quasi-particules dans le hotspot réduisait la densité de paires de Cooper disponibles pour transporter le courant superfluide, ce qui concordait avec des études antérieures.

La dynamique du point chaud reposait sur l’équilibre entre les quasi-particules proliférantes dans la cascade de conversion descendante et leur fuite par diffusion. Dans les modèles décrits ici, seul le nombre croissant de quasi-particules hors équilibre importait. Le temps de formation du point chaud était de 40 picosecondes, ce qui correspond au temps nécessaire à la diffusion des quasi-particules sur toute la largeur du nanofil. L’équipe a l’intention de mener d’autres études pour résoudre les équations cinétiques couplées des quasiparticules et des phonons en interaction ; dépasse le cadre du présent travail.

Perspectives

De cette façon, T. Jalabert et ses collègues ont formé une nouvelle méthode puissante pour étudier la dynamique des quasiparticules locales dans les nanostructures supraconductrices afin d’ajuster le taux de tunnel et l’énergie des quasiparticules. Les physiciens ont utilisé le montage expérimental pour montrer comment le courant critique d’un nanofil pouvait être considérablement réduit en injectant un courant d’injection de quasi-particules de plusieurs amplitudes inférieures.

Ils ont attribué le résultat au phénomène de chauffage thermique des quasi-particules ; les résultats ont un impact immédiat sur la fonction des nanodispositifs supraconducteurs tels que transistors à effet de champ et détecteurs de photonsavec une capacité supplémentaire pour concevoir des circuits quantiques supraconducteurs avec des effets améliorés des quasi-particules à l’avenir.

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