Le STM avec une pointe supraconductrice - Institut des NanoSciences de Paris

Des pointes supraconductrices : Pour quoi faire ?

Les pointes utilisées pour la microscopie tunnel sont généralement métalliques ; elles sont souvent fabriquées dans un alliage de platine et irridium (ou encore en tungstène, en or…). Dans ces conditions spécifiques, le microscope tunnel (STM) sonde la densité d’états locale (LDOS) de l’échantillon. Stricto-sensu, ceci n’est vrai qu’à température nulle car à température finie, l’occupation des états excités, lesquels contribuent au courant tunnel, doit être prise en compte.

En plus de la technique « standard », il est aussi intéressant d’avoir la possibilité d’utiliser une pointe supraconductrice : d’une part celle-ci offre l’opportunité de réaliser des jonctions supraconducteur-Isolant-Supraconducteur (SIS) et d’améliorer ainsi très significativement la résolution en énergie de la mesure. D’autre part, elles sont la pierre de base de la microscopie à effet Josephson, laquelle est une sonde directe et unique du condensat supraconducteur à l’échelle nanométrique [1].

Fabrication de pointes supraconductrices

Il existe différentes techniques de fabrication de pointes supraconductrices. Au sein de notre groupe, nous avons développé deux méthodes originales : la première méthode consiste à casser sous vide un fil supraconducteur et la deuxième à coller un grain supraconducteur (par exemple en MgB2) au bout d’une pointe métallique. Voyons maintenant ces deux méthodes de façon plus détaillée.

Pointes supraconductrices en niobium

Nous avons mis au point une technique de préparation originale de pointes supraconductrices en niobium (voir notre article sur le sujet, réf. [2]). Son principe est de casser sous vide un fil de niobium, ce qui permet d’en éviter l’oxydation (fig. 1).

Figure 1 : a) Principe de fabrication d’une pointe supraconductrice : un point faible est tout d’abord crée dans un fil de Niobium, puis le fil est étiré sous ultra-vide jusqu’à la cassure, ce qui garantit une surface non contaminée. b) Image d’une pointe niobium (après cassure) visualisée par microscopie électronique.

Cette approche a été très fructueuse. En première approximation, la géométrie de la pointe semble peu perturber la supraconductivité. La conductance tunnel est en effet bien reproduite par la théorie BCS (voir fig. 2). La valeur du gap supraconducteur est très proche de celle en volume, ainsi que la température critique aux incertitudes de mesure près (fig. 2).

Figure 2 : a) Conductance tunnel mesurée avec une pointe en niobium et une surface d’or à 4.2K. Le trait plein correspond à un fit BCS avec un gap ∆=1,5meV . b) Dépendance du gap en fonction de la température et son ajustement par la théorie BCS.

La résolution spatiale de la pointe est plus que satisfaisante, comme le montre la cartographie d’une surface de NbSe2 (160 Ǻx160Ǻ) où une modulation de la densité électronique du au réseau atomique sous-jacent est visible (fig. 3).

Figure 3 : Topographie d'une surface de NbSe2 (160 Ǻ160Ǻ) obtenue avec une pointe en niobium cassée sous vide. {JPEG}

Figure 3 : Topographie d’une surface de NbSe2 (160 Ǻx160Ǻ) obtenue avec une pointe en niobium cassée sous vide.

L’influence sur la densité d’états, en particulier la variation du gap, en fonction du champ magnétique a également été étudiée. Nous avons trouvé que le champ critique est 2 à 5 fois plus élevé qu’en volume, un effet attribué à la géométrie de la pointe [2].

Pointes en MgB2 ou Ba8Si46

La deuxième approche pour obtenir une pointe supraconductrice consiste à coller un grain mono-cristallin de MgB2 ou d’un autre supraconducteur (comme par exemple le clathrate supraconducteur Ba8Si46) au bout d’une pointe en alliage de platine-irridium (voir la fig. 4 pour le principe de fabrication).

Figure 4 : Principe de fabrication d’une pointe supraconductrice en MgB2. Un grain supraconducteur en MgB2 est collé au bout d’une pointe métallique en alliage de platine-irridium.

Les jonctions Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur (SIS)

Principe

Lorsque la pointe et l’échantillon sont tous deux supraconducteurs, la jonction est alors de type SIS : supraconducteur – isolant (vide) – supraconducteur. Les jonctions SIS ont été longuement étudiées dans la géométrie planaire dans les années 1960-70. I. Giaever (prix Nobel 1973) fut un des pionniers en la matière. En géométrie SIS (ou S1-I-S2 lorsque les supraconducteurs formant la jonction sont différents), les spectres de conductance tunnel révèlent une bande interdite de largeur 2(∆1+∆2) où ∆1,2 sont les gaps des supraconducteurs constituant la jonction. Des pics secondaires, dont l’intensité est croissante avec la température, existent aux énergies ± (∆1-∆2). Si la jonction est symétrique, les pics principaux sont aux positions ± 2∆.

En guise d’illustration, nous avons calculé la conductance tunnel à T=4.2K attendue pour une jonction SIS dans les deux situations précédemment décrites : S1-I-S1 et S1-I-S2. S1 et S2 sont tous deux des supraconducteurs conventionnels, i.e. bien décrit par la densité d’états prédite par la théorie BCS :

$N_{BCS}(E) = N_N(E_F)\ \textrm{\textit{Re}}\{ \frac{|E|}{\sqrt{(E-i\gamma)^{2}-{\Delta}^{2}}}\}$

Où $\gamma$ est un paramètre phénoménologique qui tient compte de l’élargissement expérimenta, résultant par exemple d’un bruit en tension (« jitter »). Leurs gaps respectifs ont pour valeurs : ∆1=1meV et ∆2=1.5meV. A température finie, un pic apparait dans la conductance tunnel à tension nulle (fig. 5a). Il est lié aux excitations thermiques du condensat. Lorsque les supraconducteurs de la jonction sont différents, deux pics thermiques apparaissent (fig. 5b). La conductance tunnel en géométrie S1-I-S1 est représentée sur la figure 6 pour différentes températures. Comme prévu, le pic thermique situé à tension nulle augmente en fonction de la température.

Figure 5 : a) Conductance tunnel en géométrie S-I-S calculée pour un supraconducteur conventionnel (décrit par BCS) avec un gap ∆=1meV et un facteur d’élargissement phénoménologique γ=0.02meV. b) Conductance tunnel en géométrie S1-I-S2 calculée pour deux supraconducteurs conventionnels de gaps respectifs : ∆1=1meV et ∆2=1.5meV. L’élargissement a pour valeur γ=0.02meV.

Figure 6 : Conductance tunnel en géométrie S-I-S calculée pour un supraconducteurs conventionnels de gap : ∆=1meV pour différentes températures (T=1K ; 2.5K ; 4.2K ; 6K). L’élargissement a pour valeur γ=0.02meV.

Spectres expérimentaux en géométrie SIS

Sur la figure 7, est représentée l’évolution en température de la conductance tunnel en géométrie SIS, obtenue avec une pointe supraconductrice en MgB2 et un film mince de MgB2. Le pic d’origine thermique à tension nulle est absent à T=4.6K mais devient visible à température plus élevée. Comme prévu par la théorie, celui-ci augmente avec la température.

La situation est probablement plus complexe que dans les cas de deux supraconducteurs conventionnels (voir exemple ci-dessus), car MgB2 est un supraconducteur à deux bandes et à deux gaps (cf article MgB2). Dans le cas d’une couche mince dont l’axe ‘c’ est orienté perpendiculairement à la couche, le courant tunnel sonde en priorité la bande σ correspondant au petit gap (de l’ordre de 2,5 meV).

Figure 7 : Conductance tunnel mesurée avec une pointe en MgB2 et film mince en MgB2 à différentes températures.

Références :

[1] « Probing the superconducting condensate on a nanometer scale » ; Th. Proslier, A. Kohen, Y. Noat, T. Cren, D. Roditchev and W. Sacks. ; Europhysics Letters 73, 962 (2006).

[2] « Fabrication and characterization of scanning tunneling microscopy superconducting Nb tips having highly enhanced critical fields », A. Kohen, Y. Noat, T. Proslier, E. Lacaze, M. Aprili, W. Sacks, D. Roditchev, Physica C 419, 18, (2005).