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Répulsion coulombienne contre propagation de la supraconductivité : qui gagne ?

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La supraconductivité est un phénomène quantique qui résulte de l’attraction entre électrons de conduction. Ceux-ci s’apparient deux à deux et forment ainsi des paires de Cooper. Mais les électrons se repoussent aussi car ils portent tous la même charge électrique, c’est l’effet coulombien. Un matériau supraconducteur compense cette répulsion en formant un écran de charges positives autour de chaque électron. Malgré une forte interaction coulombienne, un matériau peut-il acquérir des propriétés supraconductrices ?
Des physiciens de l’équipe « Spectroscopie des nouveaux états quantiques » de l’Institut des Nanosciences de Paris (INSP) viennent de montrer que les paires de Cooper se propagent dans un matériau bidimensionnel très désordonné.

Lorsqu’un supraconducteur est en contact avec un métal normal non supraconducteur, les paires de Cooper y pénètrent sur une petite distance, c’est l’effet de proximité. Une partie des propriétés supraconductrices est ainsi transférée dans la zone normale. Par exemple, des courants non dissipatifs y circulent, une signature supraconductrice apparaît dans la densité d’état électronique et le champ magnétique y est expulsé. Mais le désordre augmente la répulsion coulombienne. De plus, il y a moins de charges positives disponibles dans un matériau bidimensionnel ou unidimensionnel pour écranter cette force.

Avec un microscope à effet tunnel, nous avons mesuré les caractéristiques courant-tension locales à la surface de nanostructures de plomb déposées sur un substrat de silicium. Les îlots synthétisés sont des monocristaux épais de quelques couches atomiques qui deviennent supraconducteurs en dessous d’une température de 7 K (soit -266,15°Celsius). Autour d’eux, la surface de silicium est recouverte d’une monocouche amorphe de plomb qui, elle, reste dans l’état normal à la température d’étude, 0,3 K (soit 0,3°Celsius au dessus du zéro absolu).

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a) L’image mesurée avec le microscope à effet tunnel présente un îlot cristallin de plomb entouré de la couche désordonnée de plomb. (Dimensions : 2,1 nm x 215 nm x 215 nm). Autour de l’image est schématisée la circulation du courant tunnel I mesuré en fonction de la tension appliquée V. b) La caractéristique courant-tension I-V est mesurée au bord de l’îlot. Le code couleur montre qu’à tension nulle le bord de l’îlot est supraconducteur (rouge), la couche désordonnée est normale (bleue) loin de l’îlot et devient progressivement supraconductrice proche de l’îlot (jaune-rouge). C’est l’effet de proximité, les paires de Cooper se propagent dans la couche désordonnée mais les électrons de conduction se séparent au-delà d’une vingtaine de nanomètres sous l’effet de la répulsion coulombienne. (Dimensions : 2,1 nm x 67 nm x 20 nm.)

Pour modéliser l’effet de proximité, les chercheurs de l’INSP ont collaboré avec des chercheurs théoriciens espagnols, J.-C. Cuevas du Département de Physique Théorique de la Matière Condensée à l’Université Autonome de Madrid, et F. S. Bergeret du Centre de Physique des Matériaux à San Sebastian. Ils ont tout d’abord décrit le transport électrique du courant dans la couche amorphe comme l’équivalent d’un circuit RC, selon le modèle existant dit « de blocage de Coulomb dynamique ». Ce modèle simple de transport a ensuite été associé à l’équation d’Usade pour calculer l’effet de proximité dans un système diffusif. Les résultats théoriques concordent remarquablement bien avec les données expérimentales avec pour seul paramètre ajustable le coefficient de diffusion. Celui-ci est relié à la taille des paires de Cooper dans la couche amorphe (la longueur de cohérence effective). Elle vaut 15 nm dans cette couche désordonné de plomb, soit deux fois moins que dans les îlots cristallins.

Outre le fait que cette première mesure directe de l’effet de proximité dans un milieu fortement diffusif apporte de nouveaux éléments à la description microscopique du phénomène, elle peut aussi être une technique pour explorer les propriétés de matériaux autrement inaccessibles. On pourrait ainsi mesurer l’importance de la diffusion dans des couches ultraminces conductrices ou encore déterminer la nature de l’interface entre des électrodes normales et supraconductrices dans des nanodispositifs électroniques.

Référence
“Scanning Tunneling Spectroscopy Study of the Proximity Effect in a Disordered Two-Dimensional Metal” L. Serrier-Garcia, J. C. Cuevas, T. Cren,- C. Brun, V. Cherkez, F. Debontridder, D. Fokin, F. S. Bergeret, and D. Roditchev Physical Review Letters, Vol. 110, 157003 (2013)

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