Conductance hors-équilibre dans les Jonctions métal-supraconducteur : application à l’étude de Ba(Fe,Ni)2As2

Experimental study of the magnetic and electronic properties of low-dimensional superconductors

• Auteur / Autrice : Hadrien Grasland
• Direction : Thierry Klein, Hervé Cercellier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 26/11/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Christoph Renner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Klein, Hervé Cercellier, Louis Jansen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri Roditchev, Pavol Szabo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie électronique

Supraconductivité

Supraconducteurs

Mots clés libres

Supraconductivité

Basse dimensionnalité

Transition de phase

Magnétisme

Spectroscopie

Superconductivity

Low-Dimensional

Phase transition

Magnetism

Spectroscopy

Résumé

Comprendre la supraconductivité des pnictures et séléniures de fer nécessite de bien connaître leurs propriétés électroniques et magnétiques. Dans ce cadre, j'ai aidé à réaliser et j'ai automatisé un dispositif cryogénique capable d'étudier ces propriétés, à basse température (jusqu'à ~1 K) et sous application d'un champ magnétique statique (jusqu'à 2 T) ou oscillant. Les techniques implémentées sont la spectroscopie de pointe et la microscopie à sonde de Hall, et le dispositif est conçu de sorte qu'il soit possible de basculer de l'une à l'autre sans manipuler l'échantillon.J'ai ensuite utilisé ce dispositif pour étudier par spectroscopie de pointe les gaps supraconducteurs du pnicture Ba(Fe,Ni)2As2, puis rechercher la signature du couplage de ses électrons de conduction à des modes bosoniques. Ce faisant, il a été observé dans la conductance différentielle de jonctions métal-supraconducteur un signal oscillant dont la période varie en température comme le gap supraconducteur de l'échantillon. Ce signal dépend de la résistance de contact de la jonction d'une façon qui prouve clairement qu'il est issu d'effets hors équilibre.J'ai modélisé ce signal en étudiant théoriquement la physique de jonctions métal-métal-supraconducteur, dont la seconde région métallique serait formée par transition locale du supraconducteur vers l'état normal. Le modèle que j'ai ainsi construit permet de prédire la conductance différentielle d'une telle jonction, moyennant une connaissance préalable de la loi L(V) reliant la taille de la seconde région métallique à la tension aux bornes de la jonction. J'ai ensuite proposé plusieurs modèles pour cette loi.Après comparaison avec l'expérience, il semble possible que la région métallique se forme par dépassement local de la densité de courant critique Jd du supraconducteur associée à la brisure de paires de Cooper, ou ''courant de depairing''. Mais il serait aussi vraisemblable que l'injection d'électrons perturbe localement la distribution électronique f(E) de l'échantillon, au point de déstabiliser l'état supraconducteur. Cette dernière interprétation suppose une forte dépendance en température du couplage électron-boson à basse énergie.Enfin, je présente en annexe les fonctionnalités de microscopie magnétique du dispositif réalisé, ainsi que les premiers résultats scientifiques qu'elles ont permis d'obtenir : la mise en évidence du rôle joué par le fluage quantique dans la relaxation des vortex piégés au sein de Fe(Se,Te).

Reaching a good understanding of the superconductivity of iron pnictides and selenides requires an accurate knowledge of their electronic and magnetic properties. To this end, I helped building and I automated a cryogenic device that is suitable for the study of these properties, at low temperatures (down to ~1 K) and under the application of a magnetic field, either static (up to 2 T) or oscillating. The device implements the experimental techniques of point contact spectroscopy and scanning hall probe microscopy, and it allows switching between them without requiring sample manipulations.I subsequently used this device to study the superconducting gaps of Ba(Fe,Ni)2As2 by point contact spectroscopy, before I began looking for signatures of the coupling of conduction electrons to bosonic modes. However, in this process, the differential conductance of metal-superconductor junctions turned out to exhibit oscillating features, whose period evolves in temperature like the superconducting gap of the sample. This signal also depends on a junction's contact resistance in such a manner that it appears unmistakably out-of-equilibrium in nature.I derived a model of this signal by undertaking a theoretical study of metal-metal-superconductor junctions. In these junctions, the second metallic region would emerge from a local transition of the superconductor to the normal state. The resulting model is able to predict the differential conductance of such a junction, given prior knowledge of the L(V) law linking the size of the second metallic region to the voltage being applied across the junction. I subsequently derived several models for this law.Comparing these models to experimental data, it appears that the observed phenomenology could emerge from a local increase of current density above the ''depairing current'' Jd associated to Cooper pair breaking in the superconductor. Alternatively, electron injection could also locally alter the electron energy distribution f(E) of the sample to the point of destabilizing the superconducting state. This last explanation requires a strong temperature dependence of the electron-boson coupling at low energies.Finally, in an appendix, I describe the magnetic microscopy capabilities of the experimental device. Those capabilities enabled us to understand the role played by quantum creep in the relaxation of trapped vortices within Fe(Se,Te).