Etude de reseaux de nanojonctions Josephson : competition entre le champ magnetique et la geometrie
Résumé
Josephson nanojunction arrays provide a suitable model to study many physical phenomena such as the Kosterlitz-Thouless-Berezinski transition for large capacity junctions, the superconductor-insulator quantum phase transition for very low capacity junctions, and also the competition between the magnetic field and the geometry of the underlying lattice. We have studied the phase diagram for a particular array called the dice network. When the magnetic flux per cell is equal to half a flux quantum, which corresponds to the magnetic frustration f=1/2, the electronic wave function is trongly localized in a finite space. This phenomenon results from the so-called Aharonov-bohm destructive interferences. The prediction of this effect led us up to make Al/Al2O3/Al nanojunction dice networks using electronic lithography. We performed magnetic imaging of the vortex structures using Bitter decoration, and also low-noise electrical measurements at very low temperature. The comparison between the pahse diagram at f=1/2 and f=0 let us identify two original phases of these networks for f=1/2. On one hand, in the superconducting state where quantum fluctuations are negligible, the observed vortex configuration doesn't shown any longe range order, correlation length is of the order of one lattice spacing. Moreover, our measurements of the critical current as a function of the frustration suggest the presence of a commensurate state. Although we did not observe any thermal hysteresis,all of these experimental results seem to exhibit a low temperature vortex glass phase. On the other hand, for networks with higher quantum fluctuations, we observe a low temperature resistive phase temperature independent, that is characteristic of a vortex quantum liquid phase.
Les réseaux de nanojonctions Josephson constituent un système modèle pour l'étude d'un grand nombre de phénomènes physiques. La transition Kosterlitz-Thouless-Berezinski est étudiée pour des jonctions de grande capacité, la transition de phase quantique supraconducteur-isolant, lorsque les jonctions ont une très faible capacité, mais également la compétition entre le champ magnétique et la géométrie. Nous avons étudié le diagramme de phase d'un réseau particulier : le reseau dice. Lorsque le flux magnétique par cellule correspond à un demi quantum de flux (frustration f=1/2), la fonction d'onde électronique est, dans ce réseau, entièrement localisée dans un modèle de liaisons fortes. Cet effet est dû à des interférences destructives de type Aharonov-Bohm. La prédiction de cet effet a motivé notre travail. Nous avons donc réalisé des réseaux dice de nanojonctions Al/Al2O3/Al de grande taille, par lithographie électronique. Les configurations de vortex sont observées par décoration magnétique de Bitter et nous avons étudié les propriétés de transport électrique par des mesures bas bruit à très basse température. La comparaison du diagramme de phase de ces réseaux entre f=1/2 et f=0, nous a permis de mettre en évidence deux phases originales à f=1/2. Tout d'abord, dans le régime supraconducteur, lorsque les fluctuations quantiques sont négligeables, les vortex s'arrangent suivant une configuration fortement désordonnée à longue distance, mais un ordre à courte distance subsiste. Les mesures de courant critique suggère d'autre part l'existence d'une phase commensurable. L'ensemble de ces résultats semble montrer l'existence à basse température d'une phase vitreuse, bien que nous n'ayons pas observé d'hystérésis thermique. D'autre part, dans les réseaux où les fluctuations quantiques deviennent importantes, nous observons une phase résistive à basse température indépendante de la température, caractéristique d'une phase de liquide quantique de vortex.