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NanoSciences de Paris
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Septembre 2009

Confinement d’un vortex unique dans un nano-supraconducteur

La supraconductivité – effet quantique macroscopique par excellence – fait apparaître deux échelles caractéristiques, la première, appelée longueur de cohérence ξ, correspond à la distance à laquelle deux électrons d’une paire de Cooper interagissent entre eux ; la deuxième, la longueur de pénétration de London λ, donne l’échelle sur laquelle un champ magnétique extérieur est écranté. La question qui nous vient naturellement à l’esprit est la suivante : que se passerait-il si la taille d’un supraconducteur devenait comparable voire plus petite qu’une (ou deux !) des ces longueurs caractéristiques ? La supraconductivité cesserait-elle d’exister ? Si elle continuait d’exister, comment seraient modifiées ses caractéristiques ?

Pour répondre à ces questions fondamentales notre équipe s’est focalisée sur l’étude en microscopie et spectroscopie tunnel à balayage du comportement en champ magnétique de nano-îlots de plomb (Pb) supraconducteurs préparés sous ultravide sur une surface de silicium.

. Image STM de monocristaux de Pb nanométriques se formant à la surface propre de Si(111). Les îlots deviennent supraconducteurs à basse température.
Image STM de monocristaux de Pb nanométriques se formant à la surface propre de Si(111). Les îlots deviennent supraconducteurs à basse température.

Pour cette étude, nous avons sélectionné un îlot particulier - un monocristal de forme hexagonale presque idéale (Fig.2a). Nous avons remarqué que la très faible épaisseur de l’îlot (5,5nm, seulement 19 mono-couches de plomb) ainsi que l’interface « rugueuse » îlot-substrat (variations d’une mono-couche) augmentant la diffusion des électrons conduisent à une très grande modification des deux longueurs caractéristiques. Ainsi, la longueur de pénétration λ, 50nm dans le plomb massif, prend ici une valeur effective de 2000nm, soit 15 fois le diamètre de l’îlot ! La conséquence de cette modification est remarquable : malgré des courants d’écrantage très forts circulant partout dans l’îlot (Fig.2b), ce supraconducteur perd toute sa capacité d’expulser le champ magnétique – l’effet Meissner n’existe plus ! En revanche, la longueur de cohérence ξ, 80nm dans le plomb massif, rétrécit jusqu’à moins de 40nm, soit 1/3 du diamètre de l’îlot, ce qui à priori permet de faire rentrer un vortex mais guère plus.

Fig.2. a) Ilot sélectionné pour l'étude en STM du confinement de vortex ;
b) Les mesures tunnel spectroscopiques font apparaître la destruction non-uniforme de la supraconductivité dans l'îlot soumis au champ magnétique (ici à 180mT) (le code couleur bleu-vert-jaune-rouge correspond à la supraconductivité plus en plus faible). L'effet est dû aux super-courants de Meissner qui, en tentant d'écranter le champ magnétique, affaiblissent le condensât à la périphérie de l'îlot.

Fig.2. a) Ilot sélectionné pour l’étude en STM du confinement de vortex ; b) Les mesures tunnel spectroscopiques font apparaître la destruction non-uniforme de la supraconductivité dans l’îlot soumis au champ magnétique (ici à 180mT) (le code couleur bleu-vert-jaune-rouge correspond à la supraconductivité plus en plus faible). L’effet est dû aux super-courants de Meissner qui, en tentant d’écranter le champ magnétique, affaiblissent le condensât à la périphérie de l’îlot.

Effectivement, à un champ magnétique de 0,24 Tesla nous avons détecté l’apparition d’un vortex au centre de l’îlot. Le vortex est la signature directe du condensat quantique en rotation ; condensat qui donc continue donc d’exister malgré la suppression de l’effet Meissner ! Quand le champ magnétique augmente jusqu’à 0.45 Tesla – l’îlot cesse d’être supraconducteur sans qu’un deuxième vortex n’ait pénétré. Nous sommes donc en présence d’une « boîte à vortex unique ». Ce cas limite sépare deux situations distinctes : les îlots de taille légèrement plus grande accepteraient plusieurs vortex tandis que des îlots à peine plus petits ne pourraient même pas en contenir un seul. De manière surprenante nos recherches, purement fondamentales, trouvent un intérêt dans des applications. En effet, des détecteurs ultrasensibles de particules utilisent des couches supraconductrices ultraminces où nos résultats se trouvent directement appliqués !

 

En savoir plus :
Ultimate Vortex Confinement Studied by Scanning Tunneling Spectroscopy
Tristan Cren, Denis Fokin, François Debontridder, Vincent Dubost, and Dimitri Roditchev
Phys. Rev. Lett. 102, 127005 (2009)