Diagramme de phase et fluctuations dans le Bi2Sr2CaCu2O8+x bi-dimensionnel dopé par charge d'espace

Phase diagram and fluctuations in two dimensional space charge doped Bi2Sr2CaCu2O8+x

• Auteur / Autrice : Edoardo Sterpetti
• Direction : Abhay Shukla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 24/09/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Tristan Cren
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christoph Renner, Johan Biscaras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mandar Deshmukh, Lara Benfatto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconductivité

Fluctuations (physique)

Diagrammes de phases

Supraconducteurs à hautes températures

Mots clés libres

Supraconductivité

Supraconducteurs à haute température

Diagramme de phase

Dopage électrostatique

Fluctuations

Supraconducteurs bidimensionnels

Supraconductivity

High temperature supraconductors

Phase diagram

Electrostatic doping

Fluctuations

Bidimensional supraconductors

Résumé

Le diagramme de phase des supraconducteurs à haute température critique en fonction du dopage et de la température a été étudié de manière intensive avec une variation chimique du dopage. Le dopage chimique peut provoquer des changements structurels et du désordre, masquant les effets intrinsèques. Alternativement, des échantillons ultra-minces dopés électrostatiquement peuvent être utilisés à travers des dispositifs de type transistors à effet de champ (FET). Cependant, nombreux défis technologiques sont à affronter lorsque des supraconducteurs à haute température sont concernés. Dans cette thèse nous surmontons ces obstacles en utilisant des techniques développées dans notre laboratoire et nous nous concentrons sur le supraconducteur à haute température BSCCO-2212 dont le diagramme de phase n'a jamais été étudié par effet électrostatique. Notamment, nous fabriquons des dispositifs supraconducteurs de BSCCO-2212 de haute qualité et utilisons une méthode électrostatique originale appelée dopage de charge d'espace, et mesurons les caractéristiques de transport de 330~K à basse température. Nous extrayons les paramètres et les températures caractéristiques sur une grande plage de dopage et établissons un diagramme de phase complet pour les échantillons BSCCO-2212 d'épaisseur 1~u.c. en fonction du dopage, de la température et du désordre. Nous identifions aussi la plage critique de dopage où une transition de phase quantique est prédite. Enfin, nous examinons de près la transition supraconductrice dans la limite de la bi-dimensionnalité. Les dispositifs BSCCO-2212 à 1 maille cristalline d'épaisseur. Les fluctuations et les effets extrinsèques sont décrits par des formalismes théoriques appropriés et le caractère bidimensionnel de la transition supraconductrice de BSCCO-2212 est analysé.

The phase diagram of hole-doped high critical temperature superconductors as a function of doping and temperature has been intensively studied with chemical variation of doping. Chemical doping can provoke structural changes and disorder, masking intrinsic effects. Alternatively, electrostatically doped ultra-thin samples can be used through Field-Effect Transistor (FET) devices. The electrostatic modulation of charge carrier density in 2D materials is an elegant and clean approach that presents many technological challenges when high temperature superconductors are concerned. In this thesis we overcome these technological obstacles by using proprietary techniques developed in our laboratory for the study of 2D materials, and we focus on the high temperature superconductor BSCCO-2212, whose phase diagram has so far never been studied via electrostatic effect. Notably we fabricate ultra-thin high quality superconducting BSCCO-2212 devices and use an original electrostatic method called space charge doping to measure transport characteristics from 330~K to low temperature. We extract parameters and characteristic temperatures over a large doping range and establish a comprehensive phase diagram for one-unit-cell-thick BSCCO-2212 samples as a function of doping, temperature and disorder. We also identify the critical doping range where a quantum phase transition is predicted. Finally we take a closer look at the superconducting transition in the two dimensional limit. Fluctuations and extrinsic effects are accounted for using appropriate theoretical formalism and the two dimensional character of the superconducting transition of BSCCO-2212 is analysed.