Institut des
NanoSciences de Paris
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Confinement des vortex dans des nanostructures supraconductrices


Confinement des vortex dans des nanostructures supraconductrices

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.

Confinement ultime d’un vortex

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.

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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 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.

Fusion de vortex et Vortex Géant

Nous avons observé pour la première fois de manière directe un phénomène de confinement quantique prévu depuis 1965. Il s’agit de la fusion d’un réseau de vortex en en seul vortex géant induite par le confinement. Les vortex sont des tourbillons quantifiés qui apparaissent dans les condensats quantiques mis en rotation. Par exemple, dans les supraconducteurs, un champ magnétique provoque l’apparition de courants qui tournent dans l’échantillon. Quand on augmente le champ magnétique les courants augmentent proportionnellement jusqu’à une valeur critique où soudainement un tourbillon « vortex » apparaît, puis en augmentant encore le champ magnétique on génère deux, trois, quatre vortex etc. Ces tourbillons présentent tous une même « vorticités » associée à un quantum de flux. Nous montrons que sous l’effet du confinement plusieurs vortex peuvent fusionner pour former un seul vortex géant qui est un objet quantique dont la vorticité est un multiple de celle des vortex ordinaires. Un tel effet est censé se produire dans tous les condensats : supraconducteur, hélium superfluide, condensat de Bose-Einstein, pourvu que le condensat soit confiné latéralement.

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Fig.3 : Image STS d’îlots de plomb de 7 couches atomiques d’épaisseur et d’une centaine de nanomètre de diamètre. Sous l’effet du champ magnétique la supraconductivité (en rouge) est progressivement détruite, des vortex (en violet) apparaissent au centre des îlots. Le petit îlot accepte un vortex, le moyen deux vortex et le grand exhibe un vortex géant

De manière surprenante, nos recherches, purement fondamentales, trouvent un intérêt dans des applications où nos résultats se trouvent directement appliqués ! En effet, depuis quelques années se développent de nouveaux détecteurs de particules à base de pistes nanométriques supraconductrices, tellement sensibles qu’ils sont capables de détecter les photons un par un. Si le principe de fonctionnement des détecteurs (fabriqués à partir de couches ultra-minces de NbN) semble évident de prime abord, les mécanismes par lesquels les particules interagissent avec le condensat supraconducteur n’est pas compris. On ne comprend pas non plus ce qui contrôle l’épaisseur optimale des détecteurs – voisine de la transition supraconducteur-isolant – pour laquelle une augmentation du rendement quantique est constatée. La compréhension des mécanismes sous-jacents au voisinage de cette transition s’avère donc nécessaire !

En savoir plus :

Vortex Fusion and Giant Vortex States in Confined Superconducting Condensates
Tristan Cren, Lise Serrier-Garcia, François Debontridder, and Dimitri Roditchev
Phys. Rev. Lett. 107, 097202 (2011)

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)