Les contacts atomiques : un banc d'essai pour la physique mésoscopique

This thesis presents the results of electrical transport experiments, in particular in the superconducting state, through the smallest circuit elements one could imagine: contacts of just one or a few atoms between two metallic electrodes. Because of their small dimensions, electronic transport through atomic contacts is a quantum coherent process. In the general framework of mesoscopic physics, they can be viewed as scatterers of electronic waves, all their transport properties being determined by the set of transmission coefficients of their scattering eigenstates or conduction channels. Because this set is amenable to a complete experimental determination, atomic contacts are ideal mesoscopic systems in the sense that they allow for a quantitative comparison, with no adjustable parameter, of experimental results with theoretical predictions for a variety of transport phenomena. We have performed such a comparison for three of them. First, by integrating these contacts into a suitable dissipative circuit, we performed for the first time a controlled measurement of the Josephson supercurrent through one atom. Our measurements of the maximum supercurrent a contact can sustain are in quantitative agreement with the results of the modern theoretical description of the Josephson effect in terms of Andreev bound states localized at the contact. Second, we measured the shot noise of the finite voltage current in the superconducting state. Our results provide direct evidence that in this regime the current is carried by Multiple Andreev Reflection (MAR) processes, which transfer giant charge packets. The measured size of these packets is in quantitative agreement with the predictions of the fully quantum MAR theory. Finally, when a mesoscopic conductor is placed in series with a resistor, its differential conductance at small voltages and temperatures is reduced. This Coulomb blockade phenomenon is well known and understood for tunnel junctions. Using atomic contacts, we have addressed the mostly unexplored high transmission regime and found that the blockade disappears in the ballistic limit . These results are the first qualitative evidence for a recently predicted link between Coulomb blockade and shot noise.Cette thèse porte sur des expériences de transport électrique à travers des contacts de taille atomique entre deux électrodes métalliques, en particulier dans l'état supraconducteur. Du fait de leurs très petites dimensions, le transport à travers ces contacts est quantiquement cohérent, et dans le cadre général de la physique mésoscopique il se décrit en termes de transmission et réflexion d' ondes électroniques issues des électrodes. Toutes les propriétés de transport d'un conducteur quantiquement cohérent sont alors déterminées par l'ensemble des transmissions des modes propres ou canaux de conduction. Parce que cet ensemble est accessible expérimentalement pour les contacts atomiques, ceux-ci sont des systèmes modèles avec lesquels on peut comparer quantitativement, sans paramètres ajustables, les résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques pour des nombreuses propriétés de transport. Nous avons réalisé cette compara/ison pour trois d'entre elles. Tout d'abord, en intégrant des contacts atomiques dans des microcircuits dissipatifs adéquats, nous avons mesuré de façon contrôlée le supercourant Josephson à travers un atome. Notre mesure du supercourant maximum qu'un contact peut transporter est en accord quantitatif avec les prédictions de la vision moderne de l'effet Josephson en termes d'états liés d'Andreev localisés au contact. Ensuite, nous avons mesuré le bruit de grenaille du courant à tension finie dans l'état supraconducteur. Dans ce régime le courant est dû aux processus de réflexions multiples d'Andreev qui transfèrent de façon cohérente des paquets de plusieurs électrons. Nos mesures de bruit grenaille mettent en évidence de façon directe ces paquets géants de charge. Enfin, nous avons mesuré le blocage de Coulomb dans des contacts à l'état normal, placés en série avec une résistance. Dans cette situation, la conductance différentielle du contact est réduite à basse tension et basse température. Ce phénomène de blocage n'avait été exploré jusqu'ici que dans des jonctions tunnel, dans lesquelles tous les coefficients de transmission sont très faibles. En utilisant les contacts atomiques à l'état normal nous avons pu aborder la limite des fortes transmissions. Nous avons montré qualitativement que ce blocage disparaît, tout comme le bruit de grenaille, dans la limite balistique . Cette expérience est la première à illustrer le lien entre le bruit de grenaille et le blocage de Coulomb prédit récemment