Théorie hors équilibre des glissements de phase dans les jonctions hybrides métal normal-supraconducteur // non-equilibrium theory of phase slips in hybrid normal metal-superconductor junctions

Topic description

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.
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Bolometric and calorimetric sensors for reading superconducting qubits and detecting single microwave photons already achieve energy resolution on the order of a few photons and nanosecond time constants. Downsizing of the devices introduces fluctuations, non-equilibrium effects, and energy level quantization, challenging traditional thermal equilibrium assumptions and requiring a rethinking of what a nano-calorimeter truly measures.

The aim of this thesis project is to develop a general theoretical framework for nanoscale quantum thermal sensors based on phase slips in normal metal–superconductor (NS) hybrid junctions, to determine their fundamental limits in sensitivity and speed, and to propose a novel quantum microwave-photon detection scheme in which absorption of a microwave signal triggers a phase slip in a flux-biased SNS junction embedded in a superconducting loop.

We propose to combine self-consistent modeling of phase-slip dynamics in flux-biased superconducting loops, accounting for electronic heating in the normal link and its feedback on the Josephson potential, with an exploration of how incident microwave signals can trigger phase slips via dominant coupling mechanisms, aiming at an application of the system as a microwave photon detector. We will also extend nano-thermometry theory to non-stationary regimes, where electrons lack time to thermalize, linking average signals and noise to non-equilibrium electronic states.

The theoretical work done by the Ph.D. student will yield design criteria for microwave single-photon detectors which will be fabricated and tested experimentally at CEA-PHELIQS.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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