Thèse Théorie Hors Équilibre des Glissements de Phase dans les Jonctions Hybrides Métal Normal-Supraconducteur H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : PHYS - Physique Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique et de Modélisation des Milieux Condensés Direction de la thèse : Denis BASKO ORCID 0000000323023099 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Les capteurs bolométriques et calorimétriques, utilisés pour la lecture de qubits supraconducteurs et la détection de photons micro-ondes individuels, atteignent déjà une résolution énergétique de l'ordre de quelques photons et des constantes de temps de l'ordre de la nanoseconde. Cependant, la miniaturisation de ces dispositifs introduit des fluctuations, des effets hors équilibre et une quantification des niveaux d'énergie, remettant en cause les hypothèses traditionnelles d'équilibre thermique et nécessitant une redéfinition de ce qu'un nano-calorimètre mesure réellement.

Ce projet de thèse vise à développer un cadre théorique général pour les capteurs thermiques quantiques à l'échelle nanoscopique, basés sur les glissements de phase dans des jonctions hybrides métal normal-supraconducteur (NS). L'objectif est de déterminer leurs limites fondamentales en termes de sensibilité et de rapidité, et de proposer un nouveau schéma de détection quantique de photons micro-ondes, dans lequel l'absorption d'un signal micro-onde déclenche un glissement de phase dans une jonction SNS polarisée par un flux et intégrée dans une boucle supraconductrice.

Nous proposons de combiner une modélisation auto-cohérente de la dynamique des glissements de phase dans des boucles supraconductrices polarisées par un flux - en tenant compte du chauffage électronique dans le lien normal et de son rétroaction sur le potentiel Josephson - avec une exploration des mécanismes de couplage dominants permettant à des signaux micro-ondes incidents de déclencher des glissements de phase. L'objectif est d'appliquer ce système à la détection de photons micro-ondes. Nous étendrons également la théorie de la nano-thermométrie aux régimes non stationnaires, où les électrons n'ont pas le temps de thermaliser, en reliant les signaux moyens et le bruit aux états électroniques hors équilibre.

Les travaux théoriques menés par le doctorant aboutiront à des critères de conception pour des détecteurs de photons micro-ondes individuels, qui seront fabriqués et testés expérimentalement au CEA-PHELIQS. La calorimétrie à l'échelle nanoscopique est devenue un outil central pour sonder le transport d'énergie et détecter des quanta individuels dans les systèmes mésoscopiques. Le principe de fonctionnement des calorimètres et des bolomètres repose sur la détection de l'élévation de la température électronique dans un petit volume de matière, appelé absorbeur, due à l'énergie déposée. La thermométrie électronique rapide, basée sur des jonctions NS [1] et des dispositifs Josephson à commutation de phase [2], a permis une lecture de la température électronique à l'échelle de la microseconde à la nanoseconde, ouvrant la voie à la calorimétrie à quantum unique dans les systèmes métalliques. Les fluctuations de la température électronique dans un nano-calorimètre, résultant du couplage électron-phonon, imposent une limite fondamentale à sa résolution énergétique, limite qui a également été observée expérimentalement [3].

Des développements récents ont ouvert de nouvelles perspectives pour l'étude de la dynamique hors équilibre des supraconducteurs, comme en témoignent l'observation récente d'une signature calorimétrique d'un glissement de phase supraconducteur unique [4] et la détection bolométrique du rayonnement Josephson haute fréquence [5]. Les dispositifs à ultra-faible bruit ont atteint une sensibilité de l'ordre du zeptojoule [6], et la lecture thermique a démontré sa capacité à permettre des mesures de qubits en une seule prise [7], confirmant ainsi les nanobolomètres comme des outils pratiques pour le traitement de l'information quantique.
Notre premier objectif est de proposer un nouveau schéma de détection de photons micro-ondes, dans lequel l'absorption d'un signal micro-onde déclenche un glissement de phase dans une jonction SNS polarisée par un flux et intégrée dans une boucle supraconductrice, ce qui entraîne un échauffement des électrons dans la région normale. Notre théorie fournira des critères de conception clairs et des références de performance pour une mise en oeuvre expérimentale.

Le deuxième objectif consiste à étendre cette théorie à des régimes extrêmes où les hypothèses standard de la thermométrie basée sur les jonctions NS ne s'appliquent plus, par exemple lorsque la dynamique du système est si rapide que les électrons n'ont pas le temps de thermaliser. Dans cette situation, nous cherchons à déterminer ce que le détecteur mesure effectivement lorsque la notion même de « température électronique » n'est plus bien définie, et à développer les outils théoriques nécessaires pour interpréter la sortie du détecteur en termes de processus hors équilibre sous-jacents.

Le candidat doit posséder de solides connaissances en mécanique quantique et avoir une expérience de travail sur la théorie de la supraconductivité. Des compétences en calcul analytique et numérique sont requises.