Institut des
NanoSciences de Paris
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Dispositifs quantiques contrôlés : nanofabrication propriétés électroniques et magnétiques

MgB2 : un supraconducteur à 2 gaps

Le troisième millénaire a commencé par la découverte par Akimitsu et al. de la supraconductivité dans MgB2, un composé binaire simple bien connu. Sa température critique élevée de 39 K a immédiatement suscité un effort important de recherche.

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Structure de bandes de MgB2 (Kortus et al. PRL 2001)

La structure électronique de MgB2 est très particulière : elle est composée d’électrons de caractère bidimensionnel, située dans les plans formés par les atomes de bore, mais aussi d’électrons de caractère tridimensionnel. Plusieurs travaux ont montré que l’interaction électron-phonon était très forte dans ce matériau. Les spectres tunnel, qui reflètent la densité d’états électroniques du matériau, se caractérisent dans l’état supraconducteur par des pics de cohérence dédoublés (au lieu d’un seul pic de part et d’autre du niveau de Fermi, dans le cas d’un supraconducteur BCS habituel. L’interprétation de ces deux pics est simple : alors qu’un seul gap est attendu dans le cas d’un supraconducteur classique, deux gaps sont nécessaires pour décrire MgB2 : l’un pour la bande 2D et l’autre pour la bande 3D !

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Spectres tunnels de MgB2 (à gauche) correspondants à différentes contributions 2D/3D dans le modèle à 2gaps (à droite) (Giubileo et al. EPL 2001)

Cette situation inattendue a pour conséquence un diagramme de phases très particulier. En champ magnétique faible, ce supraconducteur écrante les flux magnétiques essentiellement grâce aux paires de Cooper issues des électrons de la bande tridimensionnelle car leur densité d’états au voisinage du niveau de Fermi est plus forte. Par contre, au fur et à mesure que le champ magnétique augmente, il détruit la supraconductivité faible de cette bande et le super-courant d’écrantage n’est supporté que par les paires de Cooper des électrons 2D ! Malheureusement, il n’a pas été possible d’étudier ce changement inédit en spectroscopie tunnel à balayage car en géométrie STM usuelle le signal tunnel de la bande 3D domine et masque le gap supraconducteur de la bande 2D. Ceci rend la mesure STS directe des vortex en champ fort très délicate voire impossible.

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La méthode Lazy Fisherman : la pointe STM reste fixe et détecte par spectroscopie tunnel les vortex se déplaçant sous l’effet de l’augmentation du champ magnétique

Pour surmonter ce problème, nous avons élaboré une nouvelle méthode expérimentale que nous avons appelée Lazy Fisherman : la pointe STM est maintenue immobile et ce sont les vortex qui se déplacent sous la pointe grâce à l’augmentation lente du champ magnétique. Les spectres tunnel sont mesurés continûment ; leur forme renseigne sur la présence d’un vortex sous la pointe STM. Une étude statistique des résultats de nos expériences a démontré l’existence d’un régime transitoire au voisinage de 0,5-1,0T, l’hypothèse étant que le réseau des vortex se brise pour se reformer de nouveau à plus haut champ magnétique. Une étude en diffraction des neutrons faite par nos collègues de l’Institut Laue-Langevin de Grenoble a démontré que, à ces valeurs du champ magnétique, le réseau des vortex tournait de 30°.

En savoir plus :

  • Superconducting vortex profile from fixed point measurements : the « Lazy Fisherman » tunneling microscopy method
    A. Kohen, T. Cren, Th. Proslier, Y. Noat, W. Sacks,D. Roditchev, F. Giubileo, F. Bobba, A. M. Cucolo, N. Zhigadlo, S. M. Kazakov, and J. Karpinski
    Appl. Phys. Lett. 86, 212503 (2005)
  • Two-gap state density in MgB2 : A true bulk property or a proximity effect ?
    F. Giubileo, D. Roditchev, W. Sacks, R. Lamy, D. X. Thanh, J. Klein, S. Miraglia, D. Fruchart, J. Marcus, Ph. Monod
    Phys. Rev. Lett. 87, 177008 (2001)