Josephson effect in high temperature superconductors
Effet Josephson pour l'étude des supraconducteurs à haute température critique
Résumé
During this PhD work, we developed an original technique to make planar nano-Josephson junctions,both of fundamental and technological interest. Junctions are made in a YBa2Cu3O6+ film using standard microfabrication and ion irradiation techniques. From a fundamental point of view, we showed that the proximity effect plays an important role in the Josephson coupling. The results are interpreted within the theoretical framework of the quasiclassical Usadel equations. In addition to the fundamental interest of these structures, this technology represents several advantages to develop applications working at liquid nitrogen temperature. On the basis of this technique, we made dc SQUIDs which exhibit very good characteristics.
The second part of this PhD is dedicated to the study of pairing fluctuations in the pseudogap regime of underdoped cuprates by a Josephson-like experiment. The existence of pairing fluctuations is revealed by measuring the current-voltage characteristics of a Josephson junction in which one side of the junction is the underdoped superconductor above its Tc, while the other side is an optimally doped superconductor well below its own Tc. To realize this experiment, we developed a new technique to make trilayer microjunctions
(underdoped YBaCuO/PrBaCuO/optimally doped YBaCuO). At low temperature, when both electrodes are in the superconducting state, a Josephson behavior is observed. In the intermediate regime,
when one electrode is in the superconducting state and the other one in the pseudogap state, we observed a signature of pairing fluctuations in a temperature range of 15K above the transition temperature, which
is much lower than the characteristic temperature of the pseudogap (250K). This result is in favor of a classical scenario where the pairing fluctuations are limited to the vicinity of the transition.
The second part of this PhD is dedicated to the study of pairing fluctuations in the pseudogap regime of underdoped cuprates by a Josephson-like experiment. The existence of pairing fluctuations is revealed by measuring the current-voltage characteristics of a Josephson junction in which one side of the junction is the underdoped superconductor above its Tc, while the other side is an optimally doped superconductor well below its own Tc. To realize this experiment, we developed a new technique to make trilayer microjunctions
(underdoped YBaCuO/PrBaCuO/optimally doped YBaCuO). At low temperature, when both electrodes are in the superconducting state, a Josephson behavior is observed. In the intermediate regime,
when one electrode is in the superconducting state and the other one in the pseudogap state, we observed a signature of pairing fluctuations in a temperature range of 15K above the transition temperature, which
is much lower than the characteristic temperature of the pseudogap (250K). This result is in favor of a classical scenario where the pairing fluctuations are limited to the vicinity of the transition.
Au cours de cette thèse, nous avons mis au point une technique de fabrication de nano-jonctions Josephson présentant à la fois un intérêt technologique et fondamental. Les jonctions sont fabriquées à partir
d'un simple film mince d'YBa2Cu3O6+ en combinant des procédés standards de microfabrication et des étapes d'irradiation ionique. D'un point de vue fondamental, nous avons montré que l'effet de proximité joue un rôle important dans le couplage Josephson. Les résultats sont interprétés dans le cadre d'une approche de type quasiclassique basée sur les équations d'Usadel. Du point de vue des applications, ces jonctions offrent une nouvelle technologie efficace pour les dispositifs à base de jonctions Josephson, pouvant fonctionner à la température de l'azote liquide. Sur la base de cette technique, nous avons développé la fabrication de SQUIDs dc ayant de très bonnes performances.
La seconde partie de cette thèse a eté consacrée à l'étude des fluctuations de paires dans le régime de pseudogap des cuprates sous-dopés par une expérience de type Josephson. Si l'on couple un supraconducteur optimalement dopé avec un supraconducteur sous-dopé au travers d'une barrière isolante, la présence de fluctuations de paires dans le régime du pseudogap peut être révélée en mesurant la caractéristique courant-tension pour des températures comprises entre les deux Tc. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une nouvelle technique de fabrication de jonctions à géométrie mesa (YBaCuO sousdopé/PrBaCuO/ YBaCuO optimalement dopé) de taille micronique. Un comportement Josephson a été observé à basse température lorsque les deux électrodes sont dans l'état supraconducteur. Dans le régime intermédiaire, lorsque le composé optimalement dopé est dans l'état supraconducteur et le composé sousdopé dans l'état de pseudogap, nous observons une signature des fluctuations de paires dans un régime de température d'une dizaine de Kelvin au-dessus de la Tc du composé sous-dopé ce qui est bien inférieur à la température d'apparition du pseudogap (250K). Ces résultats sont donc en faveur d'un scénario classique où les fluctuations de paires n'existent qu'au voisinage de la transition.
d'un simple film mince d'YBa2Cu3O6+ en combinant des procédés standards de microfabrication et des étapes d'irradiation ionique. D'un point de vue fondamental, nous avons montré que l'effet de proximité joue un rôle important dans le couplage Josephson. Les résultats sont interprétés dans le cadre d'une approche de type quasiclassique basée sur les équations d'Usadel. Du point de vue des applications, ces jonctions offrent une nouvelle technologie efficace pour les dispositifs à base de jonctions Josephson, pouvant fonctionner à la température de l'azote liquide. Sur la base de cette technique, nous avons développé la fabrication de SQUIDs dc ayant de très bonnes performances.
La seconde partie de cette thèse a eté consacrée à l'étude des fluctuations de paires dans le régime de pseudogap des cuprates sous-dopés par une expérience de type Josephson. Si l'on couple un supraconducteur optimalement dopé avec un supraconducteur sous-dopé au travers d'une barrière isolante, la présence de fluctuations de paires dans le régime du pseudogap peut être révélée en mesurant la caractéristique courant-tension pour des températures comprises entre les deux Tc. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une nouvelle technique de fabrication de jonctions à géométrie mesa (YBaCuO sousdopé/PrBaCuO/ YBaCuO optimalement dopé) de taille micronique. Un comportement Josephson a été observé à basse température lorsque les deux électrodes sont dans l'état supraconducteur. Dans le régime intermédiaire, lorsque le composé optimalement dopé est dans l'état supraconducteur et le composé sousdopé dans l'état de pseudogap, nous observons une signature des fluctuations de paires dans un régime de température d'une dizaine de Kelvin au-dessus de la Tc du composé sous-dopé ce qui est bien inférieur à la température d'apparition du pseudogap (250K). Ces résultats sont donc en faveur d'un scénario classique où les fluctuations de paires n'existent qu'au voisinage de la transition.
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