Chapitre II – Oscillateurs submillimétriques à base de jonctions SIS
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Les résultats issus de mon travail de thèse sur les réseaux de jonctions SIS m’ont permis de lancer, comme porteur de projet, de nouvelles activités de recherche dont une a été soutenue par le CNES (2007-2010). Comme évoqué dans le premier chapitre, le mélange de fréquences repose sur une caractéristique courant-tension fortement non linéaire des jonctions SIS produite par les quasi-particules. Cependant, un réseau de jonctions SIS connectées en parallèle par des lignes microrubans (la multijonction), dont la longueur géométrique totale est largement supérieure à la longueur Josephson équivalente peut également être le siège de phénomènes dynamiques complexes induits par des courants de paires de Cooper. Ceci s’est traduit par la présence de résonances à des tensions non nulles dans la courbe courant-tension, dont le comportement en fonction du champ magnétique et du courant de polarisation est similaire à celui d’une jonction Josephson longue (LJJ).
Je présenterai dans ce chapitre les principaux résultats découlant particulièrement des études sur la dynamique des courants Josephson dans la multijonction. Lorsque cette dernière fonctionne en modalité détecteur, les courants deviennent sources de bruit et doivent par conséquent être supprimés grâce à un champ magnétique adéquat appliqué dans le plan des jonctions. Or, il s’est avéré que les multijonctions telles qu’elles ont été optimisées en RF pour détecter les photons submillimétriques en utilisant le courant de quasiparticules favorisent aussi des courants Josephson. Les comportements complexes de ces derniers, s’ils sont bien compris, peuvent être exploités pour réaliser de nouvelles fonctions et applications. Cette étude qui a commencé par des caractérisations expérimentales s’est ensuite enrichie par des travaux de modélisation théorique menée notamment dans le cadre de la thèse de Lionel Loukitch [20], encadrée par Jean-Guy Caputo et soutenue en 2007, du département de mathématiques appliquées de INSA9 de Rouen. Fort des résultats expérimentaux et théoriques, cette étude a permis le développement d’un circuit intégrant sur un même substrat le détecteur et l’oscillateur local ouvrant la voie aux développements de récepteurs hétérodynes intégrés.
I. Jonction Longue Josephson
Lorsque l’on définit une jonction Josephson homogène, c’est-à-dire entièrement réalisée en Nb/Al-AlOx/Nb dans notre cas, dont la longueur lJ est supérieure à une certaine longueur caractéristique J
appelée longueur Josephson, en fonction du champ magnétique appliqué dans le plan de la jonction et le courant de polarisation, des structures en courant peuvent alors survenir à des tensions précises comme illustré dans la caractéristique courant-tension de la figure II-1.
Figure II-1 : un exemple d’une courbe I-V d’une jonction longue de dimension 45×3 µm et de 5 kA/cm² de densité de courant longue montrant des résonances excitées grâce à un faible champ magnétique externe.
Al-AlOx Nb Nb H l w Ibias Ibias
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La longueur Josephson est donnée par [21] :
𝜆𝐽= √ Φ0 2𝜋𝜇0𝐽𝑐𝑑0
où 0 = 2,07 x10-15 Weber est le quantum de flux magnétique appelé fluxon, Jc est la densité de courant de la jonction et d0 est l’épaisseur de pénétration magnétique. Le champ magnétique entre dans la jonction sous forme d’un ou plusieurs quanta de flux magnétique N0 qui sont localisés dans la partie non-supraconductrice et occupent une hauteur de d0=dAl+2L (dAl est l’épaisseur de la couche d’aluminium et L est la longueur de pénétration du champ magnétique dans le Nb due à l’effet Meissner). Les résonances permettent de produire du rayonnement millimétrique et submillimétrique grâce à la dynamique des fluxons (quanta de flux magnétique). De ce fait, elle peut être utilisée comme oscillateur local intégrée à un mélangeur SIS. Selon l’intensité du champ magnétique externe et celui du courant de polarisation, les fluxons peuvent présenter trois modes. Dans le cas où le champ est faible ou totalement nul et sous certaines conditions du courant de polarisation, un ou plusieurs fluxons peuvent être créés. Ils effectuent alors des allers et retours le long de la jonction et génèrent des impulsions de tension à chaque collision sur les extrémités. En effet, un fluxon arrivant sur une extrémité est réfléchi en changeant de signe et devient un antifluxon. Les impulsions ainsi générées ont une périodicité et apparaissent dans la caractéristique courant-tension sous forme de branches, appelées Zero Field Step (ZFS), qui sont observées pour des tensions moyennées dans le temps :
𝑉𝑁_𝑍𝐹𝑆=𝑁𝑐0Φ0 2𝐿
où N est le nombre de fluxons dans la jonction et L est la longueur de la jonction, c0 est la vitesse de Swihart qui définit la vitesse de propagation des fluxons dans la jonction longue. Le deuxième cas se présente lorsqu’en appliquant un fort champ magnétique externe, un train de fluxons est généré à une extrémité puis annihilés à l’autre extrémité. L’intérêt de ce mode unidirectionnel réside dans la possibilité de varier la fréquence des impulsions sur une grande plage de tensions pour de grandes puissances de radiation. Ce mode est appelé Flux Flow Oscillator (FFO) [21-22]. Les résonances apparaissent aussi sous la forme de branches à des tensions :
𝑉𝑁_𝐹𝐹𝑂 =𝑁ℎ𝑓 2𝑒
Le dernier mode, appelé Fiske steps [23], concerne des résonances produites par des ondes linéaires qui, contrairement aux deux cas précédents, se propagent le long de la jonction. Elles peuvent apparaître lors de la génération de fluxons en mode FFO. En effet, l’application d’un champ magnétique peut générer un fluxon qui sera annihilé à l’autre extrémité. Lors de l’annihilation, une fréquence de résonance linéaire apparaît et se propage le long de la jonction.Par exemple, l’Université de Moscou en partenariat avec l’agence spatiale néerlandaise SRON ont réussi à développer des récepteurs intégrés à base de LJJ en Nb/AlOx/Nb fonctionnant en mode FFO dans la bande 500-600 GHz [24].
II. Courants Josephson dans les multijonctions
La figure II-2 présente la caractéristique courant-tension lorsqu’un champ magnétique modéré est appliqué dans le plan de la multijonction. Ces comportements, inattendus dans un circuit comportant peu de jonctions SIS, qui plus est, avec une distribution non uniforme dans une ligne microruban, permet d’envisager de nouvelles applications. Ainsi, la similitude des comportements entre une jonction longue et un réseau de jonctions tel que défini dans ma thèse permet d’entrevoir des applications comme source de signaux submillimétriques. En outre, les oscillateurs à réseau de jonctions pourraient être plus avantageux que les oscillateurs à jonction longue. Ils permettent, entre autres, un meilleur couplage micro-onde avec le détecteur ainsi que les différents circuits passifs et facilitent le travail de conception grâce à un meilleur contrôle des paramètres dissipatifs dans le circuit.
II.1
II.3 II.2
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