2D superconductors perturbed by local magnetism : from Yu-Shiba-Rusinov bound states to Majorana quasiparticles

par Gerbold, Christophe, Bertrand Ménard

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Dimitri Roditchev et de Tristan Cren.

Soutenue le 16-09-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Institut des Nanosciences de Paris / INSP (laboratoire) .

Le jury était composé de Jean-Marc Berroir, Jean-Pascal Brison, Laurent Limot, Vincent Repain, Peter Wahl.

mots clés

• Supraconductivité
• STM
• Topologie
• Pb/Si(111)
• Yu-Shiba-Rusinov
• Interaction Rashba spin orbite
• NbSe2
• Magnétisme local
• Supraconductivité
• Topologie
• Fermions

Titre traduit

Supraconducteurs 2D perturbés par un magnétisme local : des états de Yu-Shiba-Rusinov aux quasiparticules de Majorana

Résumé

L'un des buts de la physique de la matière condensée est à l'heure actuelle de fournir de nouveaux systèmes topologiques en particulier dans le domaine de la supraconductivité. L'une des manières envisagée pour générer des supraconducteurs topologiques est d'utiliser une interaction magnétique locale sous la forme de chaînes d'impuretés magnétiques, de vortex ou de clusters d'impuretés magnétiques ordonnées. Dans cette thèse nous avons étudié un ensemble d'effets en partant de l'étude d'impuretés individuelles en allant jusqu'aux clusters organisés en interaction avec un supraconducteur bidimensionnel. En utilisant la microscopie et la spectroscopie tunnel nous avons étudié des monocrystaux de 2H-NbSe2 ainsi que les monocouches de Pb/Si(111). En raison du caractère électronique bi-dimensionnel de ces deux systèmes nous avons pu montrer que l'étendue spatiale des états liés induits par des impuretés magnétiques était considérablement augmentée en comparaison avec les supraconducteurs tridimensionnels. En combinant ces atomes magnétiques par auto-assemblage nous sommes parvenus à réaliser des clusters ferromagnétiques qui génèrent une supraconductivité topologique dans la monocouche de Pb. Nous présentons en particulier ici la mesure d'états de bords topologiques à l'interface entre Pb/Si(111) et Pb/Co/Si(111). Nous présentons également la mesure d'états liés à zéro énergie au centre de clusters magnétiques signant la présence de fermions de Majorana dans ces systèmes.

mots clés

• Superconductivity
• Topology
• Yu-Shiba-Rusinov

Résumé

One of the present days goals of condensed matter physics is to create new systems with topological properties, especially in the field of superconductivity. One of the ways envisioned to create topological superconductors is to locally induce a magnetic interaction in the form of chains of magnetic impurities, vortices or magnetic clusters of ordered magnetic impurities. In this thesis we studied a set of effects from individual impurities to organized clusters interacting with two-dimensional superconductors. Using scanning tunneling microscopy and spectroscopy we considered two systems, monocrystals of 2H-NbSe2 and monolayers of Pb/Si(111). Thanks to the two-dimensional electronic behavior of these two systems we show how the spatial extent of the bound states induced by magnetic impurities is considerably enhanced compared to the case of a three-dimensional superconductor. By combining these magnetic atoms using a self-assembly method we were able to create ferromagnetic clusters that lead to a topological superconductivity in Pb monolayers. In particular we present here measurement of topological edge states at the interface Pb/Si(111) and Pb/Co/Si(111). We also present the measurement of zero bias peaks in the center of larger magnetic clusters that sign the presence of Majorana fermions in these systems. Our results show that an adequate patterning of surfaces could realize topological patches and call for a pursuit of the efforts in the subject in order to be able to control Majorana fermions that could eventually lead to breakthrough in quantum computation.