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Crystalline Superconducting Quantum NanoWires

During the last decade, it has been demonstrated that superconducting Josephson quantum circuits constitute ideal blocks to build quantum bits and to realize quantum mechanical experiments. These circuits appear as artificial atoms whose properties are fixed by electronics compounds (capacitance, inductance, tunnel barrier)[1]. Up to now mainly aluminum polycrystalline films were used to realize the superconducting quantum circuits. These films present poor structural and electrical properties (superconducting films in the dirty limit, amorphous tunnel barrier in the Josephson junctions, amorphous native oxide…), which could limit the quantum coherence in the experiments. High quality epitaxial thin films can overcome this limitation.

During the last years, through a collaboration between NEEL and SIMAP (B. Gilles team), we have successfully developed and characterized very high quality epitaxial superconducting films of rhenium[2]. They reached state-of-the-art rhenium thin films. These films present very low density of defects and impurities leading, as example, to very long mean free path for the electrons and to the absence of native oxide[1]. More recently we are studying monolithic and mono crystalline Al-Ge-Al [3] and Al-Ge/Si core shell-Al [4] nanowire hetero-structures which demonstrated high transparency and superconducting proximity effect in collaboration with M. Den Hertog (NEEL) and M. Sistani and A. Lugstein (Wien-Austria) .

These open new possibilities to build superconducting quantum circuits based on monocrystalline nanowires. In our team we want to develop a novel generation of circuits based on such high quality material and also probe novel electronics properties in this highly order material.

Figures : (left) Epitaxial rhenium films with atomic terraces growth by MBE in SIMAP (B. Gilles). (right) Monocrystalline Al/Ge/Al herero-structures show Coulomb blockade regime, proximity supercurrent and highly transparent interfaces [3].

Current PhD : Jovian Delaforce
Contacts : Cécile Naud, Roman Kramer and Olivier Buisson

Collaborations :

  • B. Gilles, SIMAP, Grenoble, France
  • M. Sistani and A. Lugstein, ISSE, Technische Universität Wien, Wien, Austria
  • D. Basko and F. W. Hekking, LPMMC, Grenoble, France

PhD Thesis in this subject :

  • Benjamin Delsol, Université Grenoble Alpes (23/02/2015)
  • Etienne Dumur, Université Grenoble Alpes (4/02/2015)

Some references :
[1] Elaboration et caractérisation de couches minces supraconductrices épitaxiées de rhenium sur saphir, Benjamin Delsol, PhD thesis Grenoble (2015).
[2] Epitaxial rhenium microwave resonators, E. Dumur, B. Delsol, K. Ratter, T. Weissl, B. Kung, K. Hasselbach, N. Roch, C. Naud, W. Guichard, B. Gilles, O. Buisson, IEEE on Applied Superconductivity 26, 1501304 (2016).
[3] Coulomb blockade in monolithic and mono crystalline Al-Ge-Al nanowire hetero-structures M. Sistani, J. Delaforce, K. Bharadwaj, M. Luong, J. Nacenta, N. Ro ch, M. den Hertog, R. Kramer, O. Buisson, A. Lug stein, and C. Naud. Submitted for publication.
[4] Highly transparent contacts to the 1D hole gas in ultra-scaled Ge/Si core/shell nanowires, M. Sistani, J. Delaforce, R. Kramer, N. Roch, M.A. Luong, M.I. den Hertog, E. Robin, J. Smoliner, J. Yao, C.M. Lieber, C. Naud, A. Lugstein, O. Buisson. Submitted for publication.

Funding : ANR QPSNanowires

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