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

Microscopie Josephson : une sonde directe de la supraconductivité à l’échelle nanométrique

L’effet Josephson (l’apparition d’un courant de paires de Cooper non dissipatif entre deux électrodes supraconductrices séparées d’une barrière tunnel) est dû à une différence des phases entre deux condensats supraconducteurs φ1 et φ2 : J=JC sin(φ1- φ2).

Ce courant apparaît spontanément : il est non nul même si la différence des potentiels électriques entre les électrodes est nulle. Prédit en 1962, l’effet Josephson a été mis en évidence dans les jonctions planes formées de deux couches supraconductrices séparées d’une barrière solide.

Dans les années 60-70, l’effet Josephson a aidé à élucider la nature quantique de la supraconductivité. En 1973 il a valu le Prix Nobel à son inventeur. Le fonctionnement des SQUIDs – les magnétomètres les plus sensibles aujourd’hui – est basé sur l’effet Josephson. Malheureusement, les jonctions planes aux électrodes fixes ne permettent pas l’étude des variations spatiales de la supraconductivité, d’où l’idée de mesurer le courant Josephson localement, à l’aide d’un microscope tunnel à balayage (STM) utilisant une pointe elle-même supraconductrice.
Facile à dire, difficile à faire ! Malgré les efforts considérables, la réalisation du microscope à effet Josephson s’est toujours soldée par un échec. C’est donc grâce à une idée originale de notre équipe que nous avons pu réaliser cette nouvelle sonde locale de la supraconductivité à l’échelle nanométrique.

L’effet Josephson dépend de l’énergie Josephson EJ qui caractérise le couplage entre les deux supraconducteurs. Elle s’exprime en fonction du paramètre d’ordre (la « force » du supraconducteur) Δ et de la résistance de la jonction tunnel dans l’état normal RN : EJ=(πh/2e2)Δ/RΝ. Quand la température de la jonction T est telle que kBT>>EJ, les fluctuations thermiques sont plus importantes que le couplage Josephson et le super-courant à tension nulle disparaît. Ceci pose un problème de mesure du courant Josephson avec un STM. En effet, la résistance tunnel typique lors d’une mesure par STM est de l’ordre de 100MOhms. En supposant que les électrodes sont constituées de supraconducteurs conventionnels avec des gaps de l’ordre de Δ =1.5meV, l’énergie de couplage Josephson devient EJ=45 neV ou EJ/kB=0.3 mK, i.e. à une température de l’ordre de 1K, il est impossible de mesurer le courant Josephson. La situation peut néanmoins être améliorée si la résistance tunnel de la jonction est diminuée. Pour des jonctions propres, c’est-à-dire sans oxyde ni contamination, la plus petite résistance tunnel pour laquelle l’effet tunnel se fait à travers le vide est d’environ h/2e2=13kOhms, ce qui correspond à la résistance typique d’un contact atomique. Dans ce cas, l’effet tunnel de paires de Cooper devient mesurable.

D’un point de vue expérimental, le problème principal est de combiner deux conditions contradictoires :

  • avoir une basse résistance RN correspondant pratiquement à un contact physique entre la pointe et la surface
  • pouvoir balayer la surface étudiée sans l’endommager.

Nous avons alors développé un mode particulier de mesures : la pointe STM balaie la surface à une distance suffisamment grande pour l’épargner des chocs éventuels contre la surface. A l’endroit où la mesure du courant Josephson doit être faite, le balayage est arrêté et la pointe est approchée vers la surface de manière contrôlée jusqu’à l’obtention du régime Josephson. Une fois le courant Josephson mesuré, la pointe est rétractée à sa position initiale et le balayage reprend.

Nous avons appliqué cette technique au réseau de vortex (Fig.1) dans le supraconducteur conventionnel V3Si.

(c) INSP

Fig.1. Sous champ magnétique le flux pénètre dans un supraconducteur sous forme des quanta – vortex. La supraconductivité est détruite dans les cœurs des vortex où l’état normal est localement restauré (représenté en blanc). En se repoussant, les vortex s’organisent en réseau hexagonal d’Abrikosov.

En effet, ce réseau est le système le plus simple où la supraconductivité est spatialement inhomogène. Au cœur d’un vortex, le paramètre d’ordre supraconducteur est supprimé, et le courant Josephson doit s’annuler localement. Nous avons repéré les positions des vortex à la surface et mesuré l’effet Josephson dans leurs cœurs. Nos mesures montrent que le courant Josephson s’annule bien au cœur d’un vortex et croit progressivement à mesure qu’on s’éloigne de son centre (Fig.2). La longueur caractéristique sur laquelle le courant Josephson disparait a été trouvée très proche de la longueur de cohérence. Malgré la simplicité apparente, il reste beaucoup à faire afin de comprendre les caractéristiques de telles jonctions Josephson locales.

Dansun futur proche, la nouvelle méthode sera appliquée à des systèmes où la supraconductivité est inhomogène tels que les supraconducteurs conventionnels confinés ou encore les supraconducteurs à haute température critique, en particulier pour l’étude du pseudogap, dont la nature reste à ce jour incomprise.

(c) INSP

Fig.2. L’effet Josephson apparaît dans les spectres tunnel sous forme d’un pic à tension nulle (courbe noire). L’amplitude du pic Josephson diminue lorsqu’on s’approche du vortex et s’annule au cœur du vortex (position 0) en accord avec les prédictions théoriques.

En savoir plus

  • Mapping the superconducting condensate surrounding a vortex in superconducting V3Si using a superconducting MgB2 tip in a scanning tunneling microscope
    N. Bergeal, Y. Noat, T. Cren, Th. Proslier, V. Dubost, F. Debontridder, A. Zimmers, and D. Roditchev
    Phys. Rev. B 78, 140507(R) (2008)
  • Probing the superfluid velocity with a superconducting tip : The Doppler shift effect
    A. Kohen, Th. Proslier, T. Cren, Y. Noat, W. Sacks, H. Berger, and D. Roditchev
    Phys. Rev. Lett. 97, 027001 (2006)