Institut des
NanoSciences de Paris
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NbSe2 : Un autre supraconducteur à deux gaps ?

NbSe2 est un matériau lamellaire de structure hexagonale (voir Fig. 1) qui présente une transition supraconductrice à une température critique Tc=7.2K, ainsi qu’une transition structurale caractérisée par l’apparition d’une modulation du réseau atomique, i.e. d’une onde de densité de charge, à une température d’environ 30K.

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Figure 1 : Structure hexagonale de NbSe2 : chaque atome de niobium est situé au centre d’un prisme formé par les atomes de selenium.

Les spectres expérimentaux obtenus avec une pointe normale révèlent un gap de l’ordre de 1.1meV (voir Fig. 2). Leur ajustement par la théorie ‘BCS’ de Bardeen Schrieffer et Cooper [1] est possible et relativement satisfaisant au premier abord, à condition toutefois d’introduire un paramètre d’élargissement phénoménologique γ dans la densité d’états des excitations (initialement introduit par Dynes et al. [2] pour tenir compte du temps de vie fini des excitations).

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Figure 2 : Conductance tunnel mesurée à T=4.2K avec une pointe normale (en Platine-irridium) et une surface de NbSe2. En rouge : un ajustement par la théorie BCS (γ=0.3 ; delta=1meV).

Nous avons pressenti que cet élargissement cachait en réalité autre chose. Pour aller plus loin, il nous fallait améliorer sensiblement la résolution en énergie de nos spectres, ce que nous avons fait par l’utilisation de pointes supraconductrices. Nous sommes ainsi parvenus à mesurer la densité d’états (DOS) de NbSe2 avec une très bonne résolution spectroscopique.

De manière fort surprenante, nous avons trouvé que les données s’ajustent parfaitement avec un modèle à deux gap. Plus précisément la DOS mesurée est proche de la densité d’états partielle correspondant au grand gap d’un supraconducteur à deux gaps dans le cadre du modèle de Schopohl et Scharnberg [3], avec un ‘petit gap’ de l’ordre de 0.7meV et un ‘grand gap’ de l’ordre de 1.4meV.

Il existerait donc dans ce matériau un petit gap « caché », associé à une bande qui deviendrait supraconductrice par effet de proximité en raison de son couplage avec la bande supraconductrice principale (caractérisée par le grand gap). Si cette hypothèse est juste, l’observation par STS d’un seul gap s’expliquerait alors par l’existence d’une forte sélectivité tunnel : lorsque la mesure tunnel s’effectue suivant l’axe ‘c’, les électrons « sautent » par effet tunnel principalement vers l’une des bandes particulière de NbSe2, probablement en raison du fait que les orbitales correspondantes affleurent de façon privilégiée à la surface.

Par ailleurs, notons que la nature du couplage proposée n’est pas anodine : outre la diffusion de paires de Cooper d’une bande vers l’autre [4], il est également nécessaire de prendre en compte celle des quasiparticules, i.e. des excitations du condensat, qui modifie très significativement la forme de la DOS. Le mécanisme responsable de ce temps de vie fini reste en revanche à élucider.

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Figure 3 : Conductance SIS dans NbSe2 (à T=2.5K et pour une résistance tunnel de RT=13.1MOhm) mesurée avec une pointe supraconductrice en Nb et leur ajustement par le modèle à deux gap de Shopohl et Scharnberg [3] (qui est équivalent aux équations de McMillan développé pour décrire l’influence sur une couche normale d’une couche supraconductrice connectée à celle-ci [5]).
En dépit de certaines convictions courantes, NbSe2 serait donc aussi un supraconducteur « multigap », tout comme MgB2. Cependant, au contraire de ce dernier, c’est le grand gap que l’on observerait de façon privilégiée en spectroscopie tunnel. D’autres travaux sont aujourd’hui nécessaires pour confirmer ou infirmer cette hypothèse audacieuse !

[1] J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, Phys. Rev. 108, 1175 (1957).
[2] R. C. Dynes, V. Narayanamurti, and J. P. Garno, Phys. Rev. Lett. 41, 1509–1512 (1978).
[3] N. Schopohl and K. Scharnberg, Solid State Commun. 22, 371 (1977).
[4] H. Suhl, B. T. Matthias, and L. R. Walker, Phys. Rev. Lett. 3, 552 (1959).
[5] W. L. McMillan, Phys. Rev. 175, 537 (1968).

En savoir plus :

Signatures of multigap superconductivity in tunneling spectroscopy
Yves Noat, Tristan Cren, François Debontridder, Dimitri Roditchev, W. Sacks, Pierre Toulemonde, Alfonso San Miguel
Phys. Rev. B 82, 014531 (2010)