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Thermodynamique de Fourier dans les circuits micro-ondes et effets de rétroaction du bruit dans la statistique des fluctuations de courant d'une composante électronique
No full textLe premier projet s’intéresse à l’étude des propriétés statistiques et thermodynamiques de deux objets en contact thermiques lorsque ceux-ci sont à des températures différentes.
En électronique, l’échange de chaleur entre deux circuits est radiatif, le bruit émis par chacun est partiellement absorbé et partiellement réfléchi par l’autre.
De tels échanges ont été étudiés à basses fréquences. Le but du projet est d’étendre ce genre d’études aux circuits micro-ondes, qui sont essentiels pour atteindre le régime quantique en électronique.
Le formalisme des matrices de diffusion, qui sont omniprésente dans ce domaine, est la base des travaux présentés ici son utilisation en thermodynamique permettrait, entre autre, de réduire
significativement la complexité des calculs requis pour arriver à prédire théoriquement des quantités comme le courant de chaleur ce qui est la principale motivation de ce projet.
La première partie de la thèse présentera donc les éléments nécessaires à l’élaboration d’un modèle théorique pour certaines quantités thermodynamiques, dont le courant de chaleur,
dans l’espace de Fourier ainsi que des démonstrations expérimentales confirmant la validité du modèle dans les régimes classiques et quantiques.
Pour ce faire des mesures sont effectués à température ambiante et à des températures de l’ordre de 10 mK.
Le deuxième projet est de nature beaucoup plus exploratoire que le premier. Le but de celui-ci est d’étudier les effets de rétroaction du bruit sur le comportement de
certains types de diodes Zener. Comme le bruit émis par les diodes est dépendant du courant à travers celle-ci, la diode peut être affectée par son propre bruit s’étant
propagé dans le reste du circuit et ainsi modifier son comportement, comparativement à si elle était la seule composante du circuit. Contrairement au premier projet, il y a
peu de travaux théoriques pour guider les mesures expérimentales, celles-ci sont donc effectuées de manière à couvrir efficacement la plus grande zone possible dans l’espace
des paramètres pour tenter d’identifier des régimes d’intérêt qui pourront ensuite faire l’objet d’études théoriques. On compare tout de même les résultats obtenus à
un modèle de rétroaction du bruit en plus d’inclure des mesures supplémentaires pouvant guider de futurs travaux théoriques.
Finalement, un chapitre est dédiée à la caractérisation d’un amplificateur à base de diode Zener qui fonctionne grâce aux effets de rétroactions pour mettre en évidence leur importance
Mise au point d'un dispositif de mesure d'impédance complexe, micro-onde et cryogénique
No full textCe mémoire rapporte la mise au point d’un montage de mesure de l’impédance complexe d’un échantillon micro fabriqué au travers de son coefficient de réflexion Γ, et ce sur une gamme de fréquences de 200 MHz à 25 GHz et à une température pouvant aller jusqu’à (T∼1, 5 K). Ce montage repose sur l’utilisation de procédures de calibration et d’une sonde micro-onde cryogénique. Le montage est utilisé pour caractériser plusieurs types d’échantillons micro fabriqués : inductance, capacitance, mais aussi une jonction tunnel et une jonction Josephson. Ce mémoire ouvre la porte à une multitude d’expériences à haute fréquence qui permettront d’explorer par exemple la dynamique de systèmes mésoscopiques
Mesures temporelles large bande résolues en phase du bruit de grenaille photoexcité et statistique de photons d'un amplificateur paramétrique Josephson
Get PDFOn présente dans cette thèse deux applications du traitement des signaux quantiques à l'étude des fluctuations qui émanent de composantes mésoscopiques.
En premier lieu, on s'intéresse à l'étude des fluctuations électroniques en sortie d'un amplificateur paramétrique Josephson du point de vue de la statistique de photons.
En second lieu, on présente une exploration des fluctuations émises en bande large par une jonction tunnel dans le régime photoexcité à travers des mesures dans le domaine temporel et un traitement numérique des données.
On porte une attention particulière à la calibration et au traitement numérique des données, qui sont fondamentaux à la probité des résultats.
Les résultats obtenus quant à la statistique de photons de l'amplificateur paramétrique Josephson permettent de vérifier quelles prédictions théoriques sont représentatives de la situation expérimentale typique en plus de mettre en valeur l'effet de la procédure de détection sur les résultats obtenus.
Du côté de l'étude dans le domaine temporel de la jonction tunnel photoexcitée, on met à profit l'équipement micro-onde à la fine pointe de la technologie et la grande puissance de calcul disponible pour développer des méthodes de traitement du signal polyvalentes.
En particulier, celles-ci nous permettent d'introduire et de mesurer expérimentalement la densité spectrale de puissance résolue en fréquence et en phase dans différentes conditions expérimentales.
Cette quantité, d'une richesse surprenante, nous donne à son tour accès à une pléthore de corrélations courant--courant.
Elle nous permet aussi de définir la réponse harmonique des fluctuations à l'excitation, qui met en lumière les effets de retard et de temps caractéristique au sein de la jonction tunnel
Statistique de photons d’une jonction tunnel déduite de mesures de potentiel électrique à l’aide d’un amplificateur paramétrique Josephson
Get PDFOn présente dans ce mémoire la mesure de la statistique de photons des fluctuations électromagnétiques micro-ondes d’une jonction tunnel placée à ultra-basse température. En particulier, on déduit cettedite statistique en mesurant les cumulants des fluctuations de courant générées par une jonction tunnel polarisée en courant continu et photoexcitée par un signal haute fréquence. On utilise un amplificateur paramétrique Josephson en tant que premier maillon de la chaîne d’amplification en raison de son bruit près de la limite quantique. On développe aussi un modèle pour tenir compte de sa saturation, celle-ci étant apparente à des puissances de signal incident très faibles. C’est, à ma connaissance, la première fois qu’un tel amplificateur est utilisé pour étudier la physique au sein du bruit émis par un conducteur mésoscopique.
Les résultats mettent en évidence l’apparition d’un excès dans le quatrième cumulant lorsque la photoexcitation s’effectue au double de la fréquence de mesure. Un développement mathématique simple nous permet d’associer cet excès à la statistique de photons, sous la forme d’une augmentation – à nombre de photons fixe – de la variance du nombre moyen de photons contenue dans le signal. C’est en fait une signature de l’émission de paires de photons corrélés par la jonction tunnel photoexcitée.
Ces résultats font le pont entre ceux obtenus précédemment par notre groupe de recherche quant aux cumulants d’ordre supérieur du bruit et ceux associées aux parallèles entre l’optique quantique et les fluctuations de courant des dispositifs mésoscopiques. [Gasse et al. PRL 111, 136601 (2013) ; Forgues et al. Scientific Reports 3, 2869 (2013) ; Forgues et al. PRL 113, 043602 (2014)] Ils dressent un portait intéressant du bruit photoexcité en termes normalement associés à l’optique quantique
Mesure du quatrième cumulant du bruit photo-assisté dans une jonction tunnel en régime classique.
Get PDFLes statistiques des fluctuations de courant dans un échantillon mésoscopique sous irradiation n'ont jamais été explorées au-delà de la variance et du troisième moment. Nous rapportons la première mesure du quatrième cumulant de bruit dans une jonction tunnel dans le régime classique (c'est-à-dire k [indice inférieur B]T >> h f) en présence d'un courant continu et d'une excitation micro-onde en utilisant deux méthodes. Tout d'abord, nous avons étudié la corrélation entre les fluctuations de puissance à deux fréquences, f [indice inférieur 1] = 4,5 GHz et f [indice inférieur 2] = 7,15 GHz. Cette corrélation existe seulement pour certaines fréquences d'excitation.
Nous avons également effectué une mesure directe des statistiques en numérisant le bruit à grande vitesse après conversion vers les basses fréquences. Les résultats obtenus à partir de ces expériences sont en très bon accord avec les prédictions théoriques de la dynamique de bruit. En terme de photons, le quatrième cumulant correspond à une corrélation entre les photons de différentes fréquences.
-- The statistics of current fluctuations in a mesoscopic sample under irradiation has never been explored beyond the variance and third moment. We report the first measurement of the fourth cumulant of noise in a tunnel junction in the classical regime (i.e. k[subscript B] T >> hf) in the presence of a d.c and microwave excitation, using two methods. First, we have investigated the correlation between the power fluctuations at two frequencies, f[subscript 1] = 4.5 GHz and f[subscript 2] = 7.15 GHz. This correlation exists only for certain excitation frequencies. We have also performed a direct measurement of the statistics by digitizing the noise at high speed after down conversion. The results obtained from these experiments are in very good agreement with the theoretical predictions of noise dynamics. In terms of photons, the fourth cumulant corresponds to a correlation between photons of different frequencies
Corrélateur courant-courant dans le domaine temporel d'une jonction tunnel mesuré par spectroscopie micro-onde.
No full textRésumé : Ce mémoire rapporte les premières mesures de fluctuations de courant émises par une jonction tunnel sur une large bande passante, de 0.3 à 13 GHz, à une température très basse de 35 mK. Cela nous a permis de réaliser la spectroscopie (i.e. mesurer la dépendance en fréquence) du bruit thermique (tension de polarisation nulle, température variable), bruit de grenaille (basse température, tension de biais variable) et bruit photo-assisté (tension de polarisation AC). Grâce à la large bande passante de nos mesures, nous pouvons calculer le corrélateur courant-courant dans le domaine temporel. Nous observons le déclin thermique de ce corrélateur ainsi que ses oscillations de période h/eV, une conséquence directe du principe de Pauli sur le transport quantique. // Abstract : This thesis reports the first measurements of the current fluctuations emitted by a tunnel junction with a very wide bandwidth, from 0.3 to 13 GHz, down to very low temperature T=35 mK. This allowed us to perform the spectroscopy (i.e., measure the frequency dependence) of thermal noise (no dc bias, variable temperature), shot noise (low temperature, variable dc voltage bias) and photon-assisted noise (ac bias). Thanks to the very wide bandwidth of our measurement, we can deduce the current-current correlator in time domain. We observe the thermal decay of this correlator as well as its oscillations with a period h/eV, a direct consequence of the effect of the Pauli principle in quantum transport
Dynamique des jonctions SNS diffusives
No full textLe but de ce projet de maîtrise est d’explorer la dynamique des jonctions Supraconducteur/métal Normal/Supraconducteur (SNS) diffusives dans un régime de fréquence de l’ordre du temps électron-phonon, soit l’échelle de temps sur laquelle un électron diffuse sur les phonons. Les jonctions utilisées possèdent des bornes en niobium tandis que le métal normal est de l’aluminium. Les mesures sont réalisées à des températures supérieures à 1.4 K, soit au-dessus de la température critique de l’aluminium (1.20 K) et largement en dessous de celle du niobium (9.26 K).
On étudie ces jonctions en mesurant leurs caractéristiques courant-tension lorsqu’elles
sont excitées avec un signal radio-fréquence (rf). Pour une demi-période d’excitation
sinusoïdale (demi-cycle), on observe deux possibilités : soit la jonction reste dans l’état
supraconducteur, soit elle transite vers l’état normal. En variant la fréquence et l’amplitude de l’excitation, on relève la statistique de ces transitions. On met ainsi en évidence des changements dans le comportement dynamique de la jonction lorsqu’on varie les paramètres de l’excitation.
Si l’on fixe la fréquence d’excitation à une valeur suffisamment basse et qu’on augmente progressivement l’amplitude de cette excitation, on observe une variation graduelle du pourcentage de cycles (ou demi-cycles) d’excitation sinusoïdale où la jonction transite de l’état supraconducteur à l’état normal. Pour les très basses fréquences, cette variation se fait sur un intervalle d’amplitude d’excitation qui coïncide avec la largeur de la distribution du courant critique de la jonction. En augmentant la fréquence d’excitation, cette variation est de plus en plus abrupte et devient un saut discontinu au-delà d’une fréquence critique [florin]*. Ce saut discontinu à haute fréquence s’accompagne d’une hystérèse.
Pour un régime de fréquence intermédiaire, les cycles présentant une transition vers l’état normal se regroupent dans le temps et forment des blocs de transitions vers l’état normal. On a montré que la durée moyenne de ces regroupements croît exponentiellement avec la fréquence. Par exemple, pour une température de 1.4 K, la durée moyenne de ces regroupements peut varier de sept ordres de grandeur sur la plage de radio-fréquence étudiée. Enfin, ces comportements dynamiques sont fortement dépendants de la température.
En caractérisant ces changements de comportement en fonction des divers paramètres d’excitation et de la température, on met en évidence que le bruit thermique associé au bain de phonons fait partie intégrante du mécanisme causant les regroupements dans le régime de fréquence intermédiaire. À suffisamment basse fréquence (ou à toutes les fréquences dans l’approximation que la dynamique n’affecte pas le « bain »), la caractérisation de ce régime transitoire constitue en soi une « mesure » de l’occurrence d’événements rares, ici les fluctuations thermiques menant la jonction à transiter vers l’état normal
Experimental study of quantization of Faraday effect in a two dimensional electron gas and electrostatic field screening in a superconductor
Get PDFDans cette thèse, nous présentons deux expériences originales que nous avons conçues
et construites depuis le début. La première consiste à mesurer la rotation de Faraday
quantique dans un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) à des fréquences
micro-ondes et la seconde à sonder la longueur d’écran électrostatique dans les supraconducteurs.
L’expérience sur la rotation de Faraday nous a permis de réaliser une mesure
quantitative de la rotation de Faraday micro-ondes sur le 2DEG AlGaAs/GaAs. Nous
avons effectué des mesures avec plusieurs 2DEGs de différentes mobilités. Les
mesures effectuées sur un échantillon à faible mobilité (μ ≃ 1×106 cm2 V−1 s−1)
révèlent la quantification de l’angle de Faraday dans le régime de Hall quantique.
L’angle de Faraday observé est quantifié en unités d’une constante de structure fine
effective, α∗ > α. Cette augmentation est due au fait que nous effectuons nos mesures
en présence d’un guide d’ondes et non en espace libre. Cependant, avec des 2DEGs de
plus grande mobilité qui peuvent accueillir des états de Hall quantique fractionnels,
aucun plateau n’est observé. Cette expérience présente également l’avantage de
sonder les systèmes de Hall quantique par une approche non invasive.
La deuxième expérience permet de sonder directement la longueur de l’écran
électrostatique. Elle est basée sur l’idée que la capacité d’un condensateur est sensible
au changement de la longueur d’écran électrostatique. Avec la configuration de mesure,
nous pouvons mesurer des changements de capacités aussi petits que 0,3 ppm à notre
fréquence de mesure de 400 Hz. Cela correspond à une sensibilité de mesure de 1
partie de 104 dans la longueur d’écran. En utilisant ce dispositif, nous avons réalisé
des expériences pour mesurer le changement de longueur de blindage électrostatique
associé à la transition supraconductrice dans le Ti et le Nb et nous avons observé un
signal minuscule et reproductible pour lequel nous n’avons pas encore d’explication.In this thesis, we present two original experiments that we have designed and built
from the beginning. The first one is to measure quantum Faraday rotation in two
dimensional electron gas (2DEG) at microwave frequencies and the second one to
probe electrostatic screening length in superconductors.
The experiment on the Faraday rotation allowed us to perform a quantitative
measurement of microwave Faraday rotation on AlGaAs/GaAs 2DEG. We carried out
measurements with several 2DEGs of different mobilities. The measurements carried
out on a low mobility sample (μ ≃ 1×106 cm2 V−1 s−1) reveals the quantization of
Faraday angle in the quantum Hall regime. The observed Faraday angle is quantized
in units of an effective fine structure constant, α∗ > α. This enhancement is due
to the fact that we do our measurements in the presence of a waveguide and not
in free space. However, with 2DEGs of higher mobility which can host fractional
quantum Hall states there are no observed plateaus. This experiment also provides
the advantage of probing the quantum Hall systems in a non-invasive approach.
The second experiment can directly probe the electrostatic screening length. It
is based on the idea that the capacitance of a capacitor is sensitive to change in
electrostatic screening length. With the measurement setup, we can measure change
in capacitances as small as 0.3 ppm at our measurement frequency of 400 Hz. This
corresponds to a measurement sensitivity of 1 part in 104 in screening length. Using
this setup, we have performed experiments to measure the change in electrostatic
screening length associated with superconducting transition in Ti and Nb and we
observe a reproducible, tiny signal for which we have no explanation yet
Compression en phase et en quadrature dans le bruit de grenaille d'une jonction tunnel
Get PDFL'étude fine des fluctuations de courant dans les petites composantes électroniques est un excellent moyen de tester notre compréhension du transport électronique quantique. Lorsque la fréquence est suffisamment élevée, ce qui est mesuré en laboratoire n’est plus un courant d’électrons mais un champ électromagnétique causé par l’agitation des électrons. Faire un pont entre l’optique en terme de photons et l’électronique quantique est l’objectif dans le laboratoire de Bertrand Reulet. Ce mémoire de maîtrise traite des fluctuations de courant d’une jonction tunnel polarisée en courant et excitée avec une tension alternative dans les micro-ondes. La nouveauté dans ce projet provient du fait que les fluctuations de courant générées par la jonction tunnel ont été mesurées en phase et en quadrature avec l’excitation micro-onde envoyée sur l’échantillon. Il a été démontré qu’il est possible de faire un parallèle entre les fluctuations du courant électrique et l’optique quantique pour arriver à prédire le comportement de ces fluctuations en phase et en quadrature. De plus, la présence d’état comprimé ou «squeezé» sur l’une des quadratures du courant a été mesurée expérimentalement. Les résultats obtenus sont en parfait accord avec la théorie développée
Étude du bruit de grenaille dans un conducteur simple: observation d'enchevêtrement, de compression d'état à deux modes et du quatrième cumulant des fluctuations statistiques dans le courant émis par une jonction tunnel
No full textLa constante miniaturisation des dispositifs électroniques rend essentiel le contrôle et la compréhension des fluctuations dans le courant les traversant, c'est-à-dire du bruit électronique. Étudié depuis près de 90 ans, ce phénomène omniprésent se trouve limité par les lois de la mécanique quantique à une valeur minimale, la limite de bruit quantique. Quantifier ces fluctuations pose plusieurs problèmes expérimentaux. Principalement, toute mesure électronique est basée sur le passage d'un grand nombre d'électrons dont le comportement est presque aléatoire. Faire ressortir les mécanismes sous-jacents à l'émission du bruit requiert donc une étude statistique poussée de la distribution de probabilité du passage d'électrons, passant entre autres par la mesure du quatrième cumulant de cette distribution. Cet indicateur de l'écart entre les valeurs observées et les valeurs attendues pour un phénomène aléatoire n'était accessible jusqu'à maintenant qu'en comptant un à un les passages d'électrons, ce qui n'est réalisable que pour des dispositifs spécifiques. D'un autre point de vue, diminuer le niveau de bruit sous la limite quantique est un but fort souhaitable pour le développement de technologies électroniques de pointe. Un phénomène du nom de compression d'états démontre la possibilité de connaître une partie des informations disponibles avec une précision supérieure à la limite quantique au dépit de l'autre partie, qui sera noyée dans un bruit plus grand pour respecter cette limite. L'observation de la compression d'états nécessite donc d'atteindre le niveau de bruit minimal et d'enregistrer avec précision les niveaux de bruit de chaque paramètre observé. De surcroît, le domaine de la cryptographie serait fort d'utiliser un outil constitué de deux objets liés entre eux d'une façon non-classique. Ainsi, lire la valeur d'un paramètre A sur un objet limite les valeurs accessibles par le paramètre B du deuxième et vice-versa, ce qui permet de savoir si l'objet a été observé par un troisième observateur. La situation décrite en est une d'enchevêtrement, où la mécanique classique ne peut pas expliquer le lien entre les deux objets étudiés. Une telle manifestation n'est observable que sur des paires d'objets créés simultanément. La préparation identique de plusieurs paires permet une étude statistique des informations de chaque objet et toute corrélation entre eux ne pouvant s'expliquer par la mécanique classique, telle que la compression d'états à deux modes, est indicatrice d'enchevêtrement. Ce texte propose de sonder ces quantités en étudiant un dispositif dont le bruit de grenaille est simple à modéliser, la jonction tunnel. Lorsqu'elle est éloignée de son état d'équilibre par des tensions cc et ca, le courant qu'émet une jonction tunnel présente des fluctuations sur un spectre continu de fréquences. Cette thèse vise à démontrer que l'étude des corrélations entre les fluctuations présentes à deux fréquences distinctes permet la mesure du quatrième cumulant de la distribution statistique du bruit de grenaille. Cet ouvrage a aussi pour but d'utiliser divers outils développés dans le domaine de l'optique quantique afin de démontrer l'existence de compression d'états à deux modes dans ces fluctuations, démontrant ainsi la présence d'états enchevêtrés dans le bruit généré
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