Institut des
NanoSciences de Paris
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Soutenance de thèse de Lise Serrier-Garcia - 17 janvier 2014

Equipe Spectroscopie des nouveaux états quantiques
vendredi 17 janvier 2014 à 14 h 00 - Salle de conférence de l’IMPMC - Barre 22-23 - 4e étage

« Vortex confinés dans des nanastructures de Pb/Si(111) étudiés par microscopie à effet tunnel »

Résumé

La supraconductivité est caractérisée par deux échelles importantes : la longueur de pénétration du champ magnétique dite de London λ, et la longueur de cohérence ξ. Dans les supraconducteurs dits de type II, la longueur ξ est plus petite que λ ce qui a pour conséquence l’éclatement du champ magnétique pénétrant le matériau en quanta de flux appelés vortex. Chaque vortex est constitué d’un coeur nanométrique où la supraconductivité est détruite (à l’échelle de ξ), tandis qu’autour de ce coeur et dans un rayon typique de l’ordre de λ circulent des courants supraconducteurs. Dans les travaux de cette thèse, nous montrons comment le confinement d’un système à une échelle comparable à ξ modifie sensiblement ses propriétés supraconductrices. Nous avons mené cette étude dans des nanostructures de plomb déposé in-situ sur un substrat de silicium (111) Nous avons étudié la supraconductivité avec la spectroscopie à effet tunnel, sous UHV, à basses températures jusqu’à 300 mK, et sous champ magnétique. Nous avons montré comment les vortex s’organisent en fonction du confinement latéral et du champ magnétique appliqué. Dans les systèmes extrêmement confinés (ayant la taille latérale inférieure à 10 ξ), nous avons observé des objets quantiques prédits théoriquement depuis 45 ans : des vortex Géants. Nous avons également mis en évidence que dans les systèmes faiblement confinés (ayant la taille latérale de l’ordre de 10 ξ ou plus), les effets de piégeages des vortex sont dominants à faible champ. A plus fort champ, les effets de bord augmentent et les vortex s’organisent progressivement suivant le réseau triangulaire d’Abrikosov. Enfin, proche du champ critique de transition, nous avons observé la supraconductivité de surface. Les îlots de Pb cristallins supraconducteurs sont reliés entre eux par une monocouche de mouillage de Pb, ici désordonnée et non supraconductrice. Au voisinage de chaque îlot, nous avons observé que la couche de mouillage acquiert des caractéristiques spectroscopiques spécifiques qui reflètent l’interaction entre la supraconductivité induite par proximité et les interactions entre électrons de type Altshuler-Aronov, inhérentes à ce métal 2D diffusif. Nous avons reproduit ces résultats par la simulation de l’évolution spatiale des spectres tunnel, en combinant les équations d’Usadel et la théorie du blocage de Coulomb dynamique. En réduisant la distance entre les îlots, l’effet de proximité autour de chacun se recouvre, ce qui forme une jonction Josephson. Nous avons sondé ces jonctions et observé des vortex Josephson sous champ magnétique. Grace à la spectroscopie tunnel, nous avons pu étudier finement le spectre et la forme des coeurs de vortex Josephson, leur nombre et leurs positions, à travers une grande panoplie de jonctions. Non seulement nous avons pu observer l’existence d’états de coeur, mais nous avons montré également qu’ils résultent bien d’un phénomène d’interférences, ce qui explique les figures de type Fraunhofer observées dans les mesures de transport.

Abstract

Superconductivity is characterized by two important length scales : the London penetration depth λ, and the coherence length ξ. In so-called type II superconductors, the length ξ is smaller than λ which results in the collapse of the magnetic field penetrating the material in quanta of flux called vortices. Each vortex is constituted by a nanometric core where superconductivity is destroyed (on ξ wide), while around the core and in a typical radius of approximately λ, superconducting currents circulate. In the work of this thesis, we show how the confinement of a system to a scale comparable to ξ substantially modifies its superconducting properties. We carried out this study in nanostructures of lead deposited in-situ on a silicon (111) substrate. We studied the superconductivity by scanning tunneling spectroscopy under UHV at low temperatures down to 300 mK, and under magnetic field. We showed how vortices are organized according to the lateral confinement and the applied magnetic field. In extremely confined systems (having the lateral size less than 10 ξ), we observed quantum objects predicted 45 years ago : the Giant vortices. We also demonstrated that in the weakly confined systems (with the lateral size of the order of 10 or more ξ), strong vortex pinning effect are dominant at low field, while at intermediate fields strong edge effects dominate and the triangular Abrikosov lattice is recovered. Finally, close to the critical field, we observed surface superconductivity. Crystalline superconducting Pb islands are here connected by a disordered nonsuperconducting wetting layer of Pb. In the vicinity of each superconducting island, the wetting layer acquires specific tunnelling characteristics which reflect the interplay between the proximity induced superconductivity and the inherent electron correlations of this ultimate diffusive two-dimensional metal. We reproduced the spatial evolution of the tunnel spectra by combining the Usadel equations and the theory of dynamic Coulomb blockade. With reducing the distance between the islands, the proximity effect around each overlaps and forms a Josephson junction. We probed these junctions and we observed Josephson vortices under magnetic field. Thanks to the tunneling spectroscopy, we were able to study in detail the spectrum and form of the Josephson vortex cores, their number and positions, for a large variety of junctions. Not only we observed the existence of states inside the vortex core, but we have also shown that they result of a interference phenomenon, which explains the Fraunhofer figures observed in transport measurements.

Composition du jury

Dimitri Roditchev : directeur de thèse
Tristan Cren : co-encadrant de thèse, invité
Fabien Silly : rapporteur
Claude Chapelier : rapporteur
Ivan Maggio-Aprile : examinateur
Alexandre Buzdin : axaminateur
Sophie Guéron : examinatrice
Alexandre Buzdin : examinateur
Matteo Calandra : examinateur