Institut des
NanoSciences de Paris
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Transition supraconducteur-isolant

Cette étude, fruit d’une collaboration internationale, a pour but de découvrir les conditions ultimes de l’existence de la supraconductivité conventionnelle en couche ultra-mince, et de comprendre pourquoi certains systèmes deviennent isolants dès qu’un désordre critique est atteint. Parmi différents systèmes, nous étudions ceux dits amorphes-homogènes pour lesquels la transition supraconducteur-isolant (SIT) n’est pas encore bien comprise.

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Quand on réduit l’épaisseur de couches de NbN, une forte diminution du gap Δ et de la température critique Tc est observée. Nos mesures indiquent que le système passe progressivement d’un régime spectralement homogène, bien décrit par la théorie BCS, à un régime où il s’en écarte fortement et où il existe de petites inhomogénéités spectrales. L’amplitude des pics de cohérence supraconductrice diminue progressivement pour quasiment s’annuler pour Tc 0.4 Tcbulk. Conjointement, nous observons la disparition du réseau de vortex en présence d’un champ magnétique extérieur. Nos résultats mettent directement en évidence le fait que les fluctuations de phase supraconductrice engendrent la transition supraconducteur-isolant, apportant ainsi de nouveaux résultats expérimentaux marquants aux travaux théoriques récents sur ces systèmes.

référence :

Unconventional superconductivity in ultrathin superconducting NbN films studied by scanning tunneling spectroscopy
Y. Noat, V. Cherkez, C. Brun, T. Cren, C. Carbillet, F. Debontridder, K. Ilin, M. Siegel, A. Semenov, H.-W. Hübers, and D. Roditchev
Phys. Rev. B 88, 014503 (2013)

collaborations :

• Dr. A. A. Semenov, B. Günther, U. Böttger, H.-W. Hübers (DLR Institute of Planetary Research, Berlin, Allemagne).
• Dr. K. Ilin and Prof. M. Siegel, (Institute of Micro- und Nano-electronic Systems, University of Karlsruhe, Allemagne).


Dispositifs quantiques contrôlés : nanofabrication propriétés électroniques et magnétiques

Couches nanométriques de NbN proches de la transition supraconducteur-isolant : Implication pour les détecteurs de particules ultra-sensibles

Depuis quelques années se développent de nouveaux détecteurs de particules à base de pistes nanométriques supraconductrices. Ces nano-dispositifs ont des caractéristiques extraordinaires : ils permettent de détecter des photons uniques et d’en déterminer l’énergie à une très haute cadence.

L'absorption d'un photon perturbe la circulation du supercourant dans une piste du détecteur, générant un pulse de tension. (©INSP)

Le principe est simple : une piste supraconductrice de plusieurs microns de long mais large de seulement 50 nm et épaisse de quelques nanomètres est parcourue par un courant très proche du courant critique. Quand la piste absorbe un photon, celle-ci devient localement résistive et un pic de tension très bref est détecté aux bornes de la piste. La forme du pulse de tension est liée à l’énergie de la particule incidente.
Si ce principe de fonctionnement semble évident de prime abord, les mécanismes par lesquels les particules détruisent localement la supraconductivité ne sont pas compris, tout comme les mécanismes qui permettent à la supraconductivité d’être restaurée rapidement. On ne comprend pas non plus ce qui contrôle l’épaisseur optimale – voisine de la transition supraconducteur-isolant – pour laquelle une augmentation du rendement quantique du détecteur est constatée. La compréhension des mécanismes sous-jacents permettrait d’améliorer les performances de ces nano-dispositifs ultrasensibles.
La plupart des mécanismes invoqués reposent sur l’apparition de vortex – des tourbillons de supercourants. Ainsi, il est d’une importance cruciale pour le fonctionnement des détecteurs de comprendre la physique des vortex supraconducteurs dans les nano-pistes supraconductrices en présence d’un courant électrique. Vues les dimensions nanométriques des pistes, la meilleure technique qui permette d’élucider les mécanismes en présence est la microscopie/spectroscopie tunnel à très basse température sous champ magnétique.
Il existe pour l’heure très peu de données expérimentales en STM/STS sur des couches minces de NbN. Kirtley et al. [1] et Kashiwaya et al. [2-3] ont observé les variations spatiales du gap supraconducteur dans des films épais de NbN sous champ magnétique en bon accord avec la théorie BCS. Plus récemment, Nishizaki et al. [4] ont effectué une étude STM/STS d’un film épais de 60 nm d’épaisseur. Ils ont observé un réseau désordonné qu’ils ont attribué à l’existence d’un fort ancrage des vortex.

Dans le cadre d’une collaboration internationale avec nos partenaires du DLR Institute of Planetary Research (Berlin) et du Institute of Micro- und Nano-electronic Systems (University of Karlsruhe), nous étudions les propriétés des couches minces de NbN, en particulier de très faible épaisseur (<6 nm), inférieures à la longueur de cohérence (la taille des paires de Cooper) où de forts effets de dimensionnalité 2D sont attendus.
Diverses théories prédisent que la limite bidimensionnelle devrait être marquée par des déviations massives par rapport à la supraconductivité conventionnelle. Nos résultats préliminaires montrent déjà des effets très forts, comme l’existence d’un pseudogap au cœur des vortex. Nous avons tout récemment observé une supraconductivité spatialement inhomogène pour les plus faibles épaisseurs, conformément à ce qui avait été prédit théoriquement pour un tel système.
Notre futur dispositif AFM/STM basse température devrait nous permettre d’étudier des détecteurs réels en fonctionnement, en faisant passer un courant dans les pistes proche du courant critique tout en les observant sous la pointe du microscope. L’idée est d’examiner les modifications de la supraconductivité lorsque l’on s’approche du courant critique.

[1] “Spatial variation of the observed energy gap in granular superconducting NbN films”, J. R. Kirtley, S. I. Raider, R. M. Feenstra, and A. P. Fein, Appl. Phys. Lett. 50, 1607 (1987).
[2] “Scanning tunnelling spectroscopic studies of superconducting NbN crystal thin films at 4.2K”, S. Kashiwaya, M. Koyanagi, A. Shoji, M. Matsuda, and H. Shibata, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS VOL. 27, 837 (1991).
[3] “Vortex-like structure observed on a surface of superconducting NbN thin film by LT-STM”, S. Kashiwaya, M. Koyanagi, A. Shoji, M. Matsuda, and H. Shibata, Physica B 169, 465 (1991).
[4] “STM imaging of vortex structures in NbN thin films”, T. Nishizaki *, A.M. Troyanovski 1, G.J.C. van Baarle, P.H. Kes, J. Aarts, Physica C 388-389, 777 (2003).

collaborations :

• Dr. A. A. Semenov, B. Günther, U. Böttger, H.-W. Hübers (DLR Institute of Planetary Research, Berlin, Allemagne).
• Dr. K. Ilin and Prof. M. Siegel, (Institute of Micro- und Nano-electronic Systems, University of Karlsruhe, Allemagne).