4.2 Dispositif de mesure des jonctions
4.2.1 Connexions dans le cryostat
La puce carr´ee de 6 mm de cˆot´e sur laquelle se trouve la jonction `a mesurer est coll´ee sur une plaque de cuivre o`u se trouve ´egalement un relais ´electrique avec quatre pistes en cuivre. Les quatre ´electrodes de la jonction sont connect´ees `a ce relais par des fils d’or que l’on soude par ultra-sons sur les plots d’or carr´es situ´es `a l’extr´emit´e des ´electrodes. La plaque de cuivre porte-´echantillon est viss´ee au bout d’une tige de cuivre reli´ee `a la chambre de m´elange d’un cryostat `a dilution. Les deux fils de tension partent du relais et sont connect´es `a la bobine d’entr´ee d’un dispositif SQUID commercial avec en s´erie une r´esistance de 40 mΩ appel´ee r´esistance de r´ef´erence.
Une des prises permet de faire sortir du cryostat les deux fils de courant de l’´echantillon, les deux fils de chauffage du porte-´echantillon et deux autres fils connect´es `a la r´esistance de r´ef´erence. Une autre prise permet de relier le dispositif SQUID `a son ´electronique qui se trouve hors du cryostat. La temp´erature de l’´echantillon est mesur´ee avec une r´esistance en germanium dans la gamme 0.5–10 K. Une bobine de champ magn´etique de 88 G/A est fix´ee autour du calorim`etre (non blind´e) `a la hauteur de l’´echantillon.
4.2.2 Picovoltm`etre `a SQUID
Principe de la mesure
La tension qui apparaˆıt aux bornes de la jonction au-del`a du courant critique est de quelques nanovolts que l’on mesure avec un “picovolm`etre `a SQUID”. La technique consiste `a d´eriver une petite fraction du courant au travers d’un circuit nettement plus r´esistif que la jonction et qui contient la bobine d’entr´ee d’un SQUID (figure 4.8). Le courant dans la jonction n’est pas modifi´e car sa r´esistance dans l’´etat normal est de seulement 0.2 mΩ alors que celle de la d´erivation est d’environ 80 mΩ. Le courant d´eriv´e est le rapport de la tension `a mesurer aux bornes de la jonction sur la r´esistance de la d´erivation.
Ce courant d´eriv´e traverse la bobine d’entr´ee du SQUID et produit un flux au travers du SQUID lui-mˆeme modifiant ainsi son courant critique. Un dispositif ´electronique permet en fait de maintenir constant ce courant critique en compensant le flux produit par la bobine d’entr´ee `a l’aide d’une seconde bobine coupl´ee au SQUID (figure 4.9). Le courant de com-pensation est proportionnel au courant d´eriv´e et donc `a la tension `a mesurer. Le dispositif ´electronique indique 1 V lorsqu’il compense un courant de 2 µA dans la bobine d’entr´ee. Si la r´esistance de la d´erivation fait 80 mΩ, la tension aux bornes de la jonction est alors de 160 nV.
La r´esistance du circuit de d´etection est mesur´ee pr´ecis´ement en injectant un courant par deux fils connect´es sur la r´esistance de r´ef´erence. Ce courant se divise en deux composantes, l’une circulant dans la r´esistance de r´ef´erence Rref, l’autre dans la branche contenant la jonction et la bobine d’entr´ee du SQUID de r´esistance Rf il. Connaissant le courant total et le courant mesur´e par le SQUID, on peut d´eterminer le rapport des r´esistances des deux branches. Sachant que Rref = 40 mΩ `a 4.2 K, on obtient la r´esistance totale du circuit Rtot = Rref + Rf il de l’ordre de 70 `a 80 mΩ. Sa valeur doit ˆetre mesur´ee pour chaque
CHAPITRE 4. ETUDE DES JONCTIONS S/F/S
´echantillon car elle fait intervenir les r´esistances des soudures et des fils d’or qui changent l´eg`erement `a chaque fois.
Rf il∼ 40 mΩ Ijonction jonction en niobium ´electrodes SQUID Rref = 40 mΩ Rn = 0.2 mΩ
Fig. 4.8 – Sch´ema de principe du picovoltm`etre `a SQUID. Au-del`a du courant critique de la jonction, un tr`es faible courant est d´eriv´e dans la bobine d’entr´ee du SQUID, ce qui permet de mesurer la tension.
Remarques sur l’utilisation du SQUID
Le SQUID shunt´e est polaris´e en courant au milieu de la transition r´esistive, l`a o`u les variations de flux produisent le maximum de variation de la tension. Le signal utilis´e pour l’asservissement est la r´eponse en tension `a une modulation de flux haute-fr´equence `a 500 kHz inject´ee `a l’aide de la seconde bobine appel´ee ainsi “bobine de modulation”. La plus grande sensibilit´e est obtenue lorsque la d´eriv´ee seconde de la tension V (φ) est maximum. L’asservis-sement se fait ainsi autour de la valeur qui annule la r´eponse `a la fr´equence de la modulation (figure 4.10).
Le courant critique du SQUID ´etant p´eriodique en flux, il ne peut pas distinguer deux valeurs qui diff`erent d’un nombre entier de quantum de flux Φ0 = h/2e, mais grˆace `a l’as-servissement on peut mesurer des flux beaucoup plus grands que Φ0. Cependant on ne peut pas mesurer la valeur absolue du flux, seulement ses variations.
Si l’environnement ´electromagn´etique contient un bruit important ou `a haute fr´equence, il peut se produire des “sauts de flux” dans le signal d’asservissement, c’est-`a-dire qu’il rajoute un ou plusieurs Φ0 en essayant de suivre le bruit. Ceci est surtout gˆenant lorsqu’on mesure un signal continu, mais peut aussi perturber la mesure d’un signal alternatif si ces sauts se produisent trop souvent. Il est donc n´ecessaire de bien filtrer tous les fils qui entrent dans le cryostat et particuli`erement ceux qui sont en contact ´electrique direct avec le SQUID.
4.2. DISPOSITIF DE MESURE DES JONCTIONS φ`a mesurer φmodulation+ φcompensation Ipolarisation SQUID Imodulation+Icompensation Bobine d’entr´ee I`a mesurer
Fig. 4.9 – Sch´ema de principe du fonctionnement d’un SQUID. Le flux produit par le courant `
a mesurer est compens´e grˆace `a une seconde bobine. L’asservissement utilise la r´eponse `a une modulation de flux. point de fonctionnement modulation en flux `a 500 kHz V V Ipolarisation I φ
Fig. 4.10 – Sch´ema de la caract´eristique tension-courant du SQUID pour les positions limites en fonction du flux. Le SQUID est polaris´e en courant au milieu de sa transition. La tension est une fonction p´eriodique du flux. L’asservissement cherche `a annuler la r´eponse `a la fr´equence de la modulation de flux `a 500 kHz.
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4.2.3 Mesure du courant critique
Dans les jonctions Josephson S/I/S avec une barri`ere tunnel, la caract´eristique tension-courant pr´esente g´en´eralement de l’hyst´er´esis `a cause de la grande r´esistance et de la capacit´e. Dans les jonctions en forme de microponts, l’hyst´er´esis est dˆu au chauffage de la constriction d`es que le courant critique est atteint. Pour mesurer le courant critique, il est n´ecessaire dans ces conditions de faire des rampes en courant jusqu’`a la transition et de revenir `a z´ero apr`es chaque mesure.
Dans les jonctions planaires S/F/S ´etudi´ees ici, la r´esistance dans l’´etat normal est tr`es faible, de sorte qu’elles n’ont pas d’hyst´er´esis, ni intrins`eque, ni dˆu au chauffage. Il est donc possible d’osciller de fa¸con r´eversible autour du courant critique et de maintenir continˆument le courant `a cette valeur par une technique d’asservissement. On peut ainsi mesurer continˆument les variations du courant critique en fonction de la temp´erature et du champ magn´etique.
La r´egulation du courant se fait `a partir de la tension qui apparaˆıt aux bornes de la jonction. La tension doit ˆetre d´etect´ee en alternatif pour ˆetre insensible aux d´erives continues provoqu´ees par les changements de temp´erature ou de champ (ainsi qu’aux “sauts de flux” du SQUID qui se produisent par moment). On ajoute donc au courant continu une petite composante alternative d’amplitude 1 µA `a la fr´equence de 88 Hz. Lorsque le courant continu atteint le courant critique, il apparaˆıt une tension alternative qui est d´etect´ee par le SQUID. On veut que cette tension soit la plus faible possible pour que le courant continu soit le plus proche possible du courant critique : on choisit une valeur de 0.1 nV qui correspond `a un signal de sortie du SQUID de 0.5 mV.
Pour r´eguler le courant autour de ce point de fonctionnement (figure 4.11), le signal du SQUID est d’abord envoy´e sur une d´etection synchrone en phase avec la source de courant alternatif et qui permet de :
– transformer la tension alternative en tension continue,
– introduire un d´ecalage de 0.5 mV pour r´eguler autour du point de fonctionnement, – inverser le signe pour que l’apparition de la tension entraˆıne la r´eduction du courant, – amplifier le signal pour accroˆıtre la rapidit´e de l’asservissement.
Ce signal d’erreur est ensuite envoy´e `a l’entr´ee de la source de courant continu qui alimente la jonction. La valeur du courant est le r´esultat d’une r´egulation proportionnelle-int´egrale sur le signal d’erreur fourni par la d´etection synchrone. En ajustant les param`etres de r´egulation, on obtient un courant continu stable avec des fluctuations inf´erieures `a 1%. La mesure du courant critique peut ainsi se faire `a tout instant au cours des balayages en temp´erature et en champ magn´etique.
4.2. DISPOSITIF DE MESURE DES JONCTIONS continu G´en´erateur alternatif G´en´erateur Cryostat r´egul´e D´etection synchrone Voltm`etre continu Filtres Jonction VAC VDC IAC IDC Electronique du SQUID SQUID
V
Fig. 4.11 – Dispositif pour mesurer le courant critique des jonctions. La r´eponse au courant al-ternatif est transform´ee par la d´etection synchrone en signal d’erreur pour la r´egulation du courant continu `a la valeur du courant critique.
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