Nous avons caract´eris´e l’´evolution de la r´esistance de surface RS de trois films
YBa2Cu3O7−δ, en fonction de la puissance micro-onde et de la temp´erature, par la
m´ethode du r´esonateur di´electrique [97, 100]. On observe pour chaque ´echantillon une forte augmentation de la r´esistance de surface `a partir de certaines valeurs de la temp´erature et de la puissance hyperfr´equence, not´ees : Pnl,rf et Tnl. Ce comporte-
ment est g´en´eralement qualifi´e de non-lin´eaire au regard de la tr`es faible d´ependance de RS lorsque Prf et T sont inf´erieures `a ces valeurs seuil.
Dans le but de comprendre les m´ecanismes responsables de l’accroissement des pertes dans ce type de mat´eriau, nous avons aussi mesur´e l’influence de Prf et T sur la
fr´equence de r´esonance du r´esonateur en rutile. Les r´esultats, sont compar´es avec ceux obtenus sur un r´esonateur en MgO, pr´esentant des propri´et´es physiques ana- logues au saphir, syst´ematiquement utilis´e pour ce type de mesures. Les films su- praconducteurs pr´esentent en g´en´eral des d´efauts r´esistifs, tels que des pr´ecipit´es conducteurs ou des liens faibles. Dans leurs exp´eriences, Obara et collaborateurs [101], ont montr´es une corr´elation entre la d´ependance en puissance micro-onde de la r´esistance de surface et la valeur de la densit´e de courant critique continu. Nos r´esultats semblent eux aussi indiquer cette corr´elation. Des effets non lin´eaires in- trins`eques sont aussi attendu [102, 105]. Halbriter et collaborateurs [106] ont mont´es
qu’au tout d´ebut de l’apparition des non lin´eairit´es, des fluxon Josephon pouvaient p´en´etrer dans les liens faibles et qu’`a plus fort champ hyperfr´equence, les pertes par fluage des lignes de flux (fluxflow) devaient ˆetre pris en compte [107]. Enfin Wosik et collaborateurs [108, 109] ont pr´esent´e l’´echauffment global du mat´eriau supracon- ducteur comme la racine possible des effets non lin´eaire observ´es.
En r´egime faible puissance micro-onde, la fr´equence de r´esonance du r´esonateur en rutile augmente fortement avec la temp´erature et ce, de fa¸con identique quelle que soit la nature du support sur lequel le r´esonateur est pos´e (cuivre, substrat MgO ou film supraconducteur). En revanche lorsque il s’agit d’un r´esonateur en MgO, nous observons une diminution de la fr´equence de r´esonance avec la temp´erature. Cette diff´erence de comportement est `a attribuer uniquement aux propri´et´es physiques de ces deux mat´eriaux, dont la constante di´electrique varie de mani`ere oppos´ee avec la temp´erature.
Lorsque, `a temp´erature fixe, la puissance micro-onde augmente, f0,rutile augmente
aussi. Dans la plupart des r´esultats sur ce sujet, le MgO et le saphir sont utilis´es ce qui engendre une diminution de la fr´equence de r´esonance. Cette d´ecroissance ob- serv´ee est interpr´et´ee comme l’augmentation avec Prf (tout comme avec la temp´erature
d’ailleurs) de la longueur de p´en´etration λ. En effet, d’un point de vue g´eom´etrique, il semble logique d’imaginer qu’une augmentation de λ entraˆıne une augmentation de l’extension, selon z, de la cavit´e, en cons´equence de quoi la fr´equence diminue. Il devient, par ce biais possible de remonter `a la valeur de la r´eactance de surface d´efinie comme XS = µ0ωλ.
Cependant, si tel ´etait le cas, le nature du mat´eriau di´electrique ne devrait avoir au- cune influence sur le sens de variation de la fr´equence de r´esonance. En utilisant un mat´eriau (le rutile) dont la variation de la constante di´electrique avec la temp´erature est oppos´ee `a celle du MgO ou du saphir, nous avons montr´e que la caract´eristique f0(Prf) indiquait une ´el´evation en temp´erature du r´esonateur, donc du film supra-
conducteur. Et qu’il ´etait possible de calculer pr´ecis´ement cet ´echauffement grˆace `a la mesure de f0(T ) en r´egime basse puissance.
Il est `a pr´esent certain que les ph´enom`enes responsables de l’accroissement de la r´esistance de surface avec la puissance micro-onde, sont caract´eris´es par un ´echauffement lin´eaire de type Joule des films supraconducteurs[110].
Chapitre 4
R´esonateurs supraconducteurs
4.1
Introduction
Les r´esultats pr´esent´es dans ce chapitre s’inscrivent dans un contexte d’appli- cation des propri´et´es des mat´eriaux supraconducteurs pour le traitement du signal hyperfr´equence. Le projet de Recherche Exploratoire et Innovation (REI), propos´e par la Direction G´en´erale de l’Armement (DGA), consiste en une ´etude de faisabi- lit´e d’un oscillateur local faible bruit pour pilote RADAR, bas´e sur des r´esonateurs supraconducteurs.
Ce type d’application n´ecessite la synth`ese de fr´equence `a haute puret´e spectrale. Cette puret´e, mesur´ee par la densit´e spectrale de bruit, ne peut ˆetre obtenue qu’`a partir de r´esonateurs pr´esentant `a la fois une largeur de r´esonance tr`es ´etroite (fort facteur de qualit´e) et la capacit´e `a supporter des puissances r´eactives ´elev´ees. En d´epit des travaux sur le sujet, les r´esonateurs acoustiques (quartz) semblent atteindre une but´ee .
Les Supraconducteurs `a Haute Temp´erature Critique (SHTC) permettent en prin- cipe d’obtenir des facteurs de qualit´e sup´erieure d’au moins un ordre de grandeur par rapport `a l’´etat de l’art aux fr´equences consid´er´es. Le point de d´epart de l’´etude propos´ee est la faisabilit´e de r´esonateurs planaires SHTC 2D `a 1 GHz avec un fac- teur de qualit´e suffisant (Q > 100000 voire 200000) pour apporter le gain recherch´e et supportant des puissances r´eactives de l’ordre de 50 W. Le choix de la fr´equence de 1 GHz constitue un compromis id´eal pour le spectre de bruit ; il permet en outre d’envisager le couplage du r´esonateur `a un ´el´ement actif faible bruit et fort rende- ment. Le choix de la technologie planaire offre une configuration robuste vis-`a-vis de la sensibilit´e aux vibrations et acc´el´erations, et se prˆete `a l’int´egration dans un syst`eme cryog´enique compact. Le r´esonateur supraconducteur est aussi une m´ethode de mesure de l’imp´edance de surface des films minces supraconducteurs [111, 116].