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NanoSciences de Paris
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Dispositifs quantiques contrôlés : nanofabrication et propriétés électroniques

Ba8 Si46 : un clathrate supraconducteur à deux gaps ?

L’étude spectroscopique d’un clathrate, Ba8Si46, un matériau étonnant constitué de cages de silicium occupées par des atomes de Barium, s’est révélée fort intéressante. Lortz et al. [1], en se basant sur des mesures de chaleur spécifique, avait déjà suggéré la possibilité d’une supraconductivité à deux bandes dans ce matériau. Cette hypothèse est en effet corroborée par nos mesures de spectroscopie tunnel.

Une fois de plus, l’utilisation de pointes supraconductrices s’est révélée très fructueuse dans cette étude. La sensibilité spectroscopique de la mesure est en effet considérablement accrue en géométrie SIS (Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur) qui permet de s’affranchir partiellement de l’élargissement thermique. En raison de la petite taille des grains (de l’ordre de 0.5mm de diamètre), nous avons choisi de les coller sur une pointe métallique normale (en Platine-Irridium). Une surface de NbSe2 a été choisie en guise de contre-électrode. La bonne qualité de la jonction a par ailleurs été vérifiée par l’imagerie du réseau de vortex (Fig. 1) en présence d’un champ magnétique.

Les mesures de la conductance de tunnel révèlent deux types de spectres de formes très différentes, auxquels on peut assigner deux gaps distincts de valeurs respectives 0.9meV et 1.3meV. Le spectre correspondant au petit gap comporte des pics de quasiparticules beaucoup plus prononcés que ceux du spectre correspondant au grand gap, ainsi qu’une déplétion dans la conductance tunnel (que nous appelons communément « dip ») juste au-delà du gap.

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Figure 1 : a) Image spectroscopique des vortex dans NbSe2 à différentes tensions. b) Deux spectres tunnel typiques dans Ba8Si46 (en géométrie pointe) obtenus avec une surface de NbSe2 comme contre-électrode. (© INSP)

Deux modèles théoriques existent pour décrire un supraconducteur à deux bandes : d’une part le modèle de Sulh et al. [2], d’autre part le modèle de Schopohl et Scharnberg [3], dont les équations sont formellement équivalentes à celles de McMillan [4] (initialement développées pour décrire l’effet de proximité dans l’espace réel d’une couche supraconductrice en contact avec une couche normale). Sulh et al. ont généralisé la théorie BCS (laquelle considère une unique bande ‘s’ isotrope dans l’espace réciproque) à deux bandes ‘s’ et ‘d’. Ils supposent par ailleurs l’existence d’un mécanisme de diffusion des paires de Cooper d’une bande vers l’autre. Schopohl et Scharnberg ont de plus pris en compte la diffusion des quasiparticules d’une bande vers l’autre.

Ce dernier modèle décrit parfaitement le cas de MgB2 mais aussi celui de Ba8Si46. En effet, nous sommes parvenus à ajuster très précisément les spectres basse température en utilisant les équations de Schopohl et K. Scharnberg. De plus, ce modèle permet de décrire l’évolution des spectres en fonction de la température sans aucun autre paramètre ajustable (Fig. 2). Outre la valeur des gaps intrinsèques dans chaque bande, nous en avons déduit les taux de diffusion interbandes des quasiparticules.

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Figure 2 : Spectres correspondant au petit gap dans Ba8Si46 (pointe) pour différentes températures et leur ajustement théorique par la théorie de Schopohl and K. Scharnberg [3] (© INSP)

A priori, il semble difficile, en se basant uniquement sur des mesures spectroscopiques en surface, (auxquelles nous sommes limités avec la microscopie/spectroscopie tunnel) d’écarter complètement l’hypothèse d’un effet de proximité intrinsèque ou lié à une contamination de celle-ci. Néanmoins, la dépendance linéaire des paramètres de couplage tau(12) et tau(21) est en faveur d’une supraconductivité à deux gaps dans ce matériau.

[1] Lortz et al., Phys. Rev. B 77, 224507 (2008).
[2] H. Suhl, B. T. Matthias, and L. R. Walker, Phys. Rev. Lett. 3, 552 (1959).
[3] Schopohl and K. Scharnberg, Solid State Commun. 22, 371 (1977).
[4] W. L. McMillan, Phys. Rev. 175, 537 (1968).

En savoir plus

Two energy gaps in the tunneling-conductance spectra of the superconducting clathrate Ba8Si46
Yves Noat, Tristan Cren, Pierre Toulemonde, Alfonso San Miguel, François Debontridder, Vincent Dubost, and Dimitri Roditchev
Phys. Rev. B 81, 104522 (2010)


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