La supraconductivité est un état de la matière dans lequel les électrons forment un condensat de paires de Cooper de spins opposés. Par excitation d'énergie supérieure à deux fois le gap supraconducteur, ces paires peuvent être brisées en deux quasiparticules indépendantes. À l’équilibre thermique, la théorie BCS prédit une concentration de quasiparticules exponentiellement faible, quasiment nulle à l'échelle du millikelvin. De nombreuses expériences ont cependant mis en évidence un excès significatif de quasiparticules, dégradant les dispositifs supraconducteurs en réduisant les temps de cohérence des qubits et les facteurs de qualité des résonateurs. Cet excès, provenant de multiples sources environnementales (photons IR, phonons, muons...), est difficile à éliminer. Comprendre la dynamique des quasiparticules devient essentiel pour prévenir leur "empoisonnement" des dispositifs quantiques. Dans les supraconducteurs désordonnés, les fluctuations spatiales du gap peuvent piéger les quasiparticules, modifiant ainsi leur spectre et entravant leur recombinaison en paires de Cooper. Cette thèse vise à mieux comprendre la recombinaison des quasiparticules dans les supraconducteurs désordonnés, en étudiant (i) le spectre des états liés d'une déplétion locale du gap, et (ii) les taux de relaxation de spin inélastiques, nécessaires à la recombinaison. Dans un premier projet, nous présentons un modèle minimal d'une déplétion locale du gap dans un supraconducteur propre. Une approche semiclassique révèle l’existence de multiples états liés dont le nombre dépend de la taille et de la profondeur de la variation du gap. En dimensions supérieures à un, ce nombre devient très élevé pour un piège de taille typique de l'ordre de la longueur de cohérence. Une description complète via les équations de Bogoliubov-de Gennes montre qu'en dimension deux et trois, un nombre infini d’états liés supplémentaires s’accumule près du bord du gap, même pour des pièges arbitrairement petits. Les fonctions d’onde associées sont maximales à l’extérieur du piège et décroissent exponentiellement sur des longueurs caractéristiques très grandes. Ce modèle offre un cadre unifié décrivant les états liés sur toute une gamme de taille de pièges, avec des implications directes pour les processus de recombinaison. Dans un second projet, nous investiguons la recombinaison des quasiparticules en paires de Cooper singulet. Un unique piège abrite un grand nombre d’états liés, de fait, les quasiparticules piégées de spin opposé sont amenées à se recombiner rapidement. Progressivement le système est conduit vers une configuration où il ne reste que des quasiparticules de même spin. Le spin-flip devient alors un canal de recombinaison indispensable à étudier. Une analyse complète nécessite de combiner trois mécanismes: (i) l’interaction électron-phonon (relaxation d'énergie), (ii) le couplage spin-orbite faible (relaxation de spin), et (iii) le désordre inhérent aux matériaux réels. Une telle combinaison n’ayant jamais été pleinement établie, même dans l’état métallique, nous étudions la relaxation inélastique de spin via la règle d’or de Fermi comme première étape vers la recombinaison dans les supraconducteurs. Premièrement, nous retrouvons le taux de relaxation inélastique en régime diffusif, variant quartiquement en énergie car supprimé par le désordre, comme prédit par Schmid. Puis, nous calculons le taux de spin-flip élastique dans un métal désordonné, proportionnel au taux de relaxation sans spin-flip. Enfin, nous dérivons le taux de spin-flip inélastique dans un métal propre, présentant une dépendance en puissance cinq de l'énergie. Ces deux taux présentent un préfacteur quartique en couplage spin-orbite, suggérant que la relaxation de spin constituerait le facteur limitant de la recombinaison. L'extension au cas inélastique désordonné ainsi que la généralisation au cas supraconducteur sont esquissées, ouvrant la voie à un calcul complet du taux de recombinaison.​.​

Direction / Supervision​
Julia Meyer et Manuel Houzet