Transport and spectral properties of low-dimensional superconductors in the presence of spin-dependent fields

par Julie Baumard

Thèse de doctorat en Lasers, Matière et Nanosciences

Soutenue le 19-12-2019

à Bordeaux en cotutelle avec l'Universidad del País Vasco. Facultad de ciencias , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine (laboratoire) , Donostia International Physics Center - DIPC (SPAIN) (laboratoire) et de Centro de Física de Materiales (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Tamarat.

Le jury était composé de Jérôme Cayssol, Philippe Tamarat, Manuel Houzet, Pascal Simon, Andrès Arnau Pino, Hélène Bouchiat.

Les rapporteurs étaient Manuel Houzet, Pascal Simon.

  • Titre traduit

    Propriétés spectrales et de transport de supraconducteurs à basse dimension en présence de champs dépendant du spin


  • Résumé

    Lorsqu’un supraconducteur est soumis à des champs dépendant du spin, on observe l'émergence de nouveaux phénomènes comme l’augmentation du champ magnétique critique, des effets magnétoélectriques ou encore l’apparition d’états de bord de Yu-Shiba-Rusinov autour d’impuretés magnétiques. Dans cette thèse, on s’intéresse à ces effets dans des systèmes de basse dimension.Tout d’abord, on démontre que la combinaison d’un champ Zeeman avec un couplage spin-orbite dans des systèmes supraconducteurs unidimensionnels induit une phase inhomogène à faible champ magnétique et haute température critiques. On montre que l’état fondamental correspond à un état de courant nul, où le courant induit par le couplage spin-orbite, nommé courant de charges anomal, est exactement compensé par le courant venant du vecteur d’onde du paramètre d’ordre supraconducteur. On discute également la possibilité de prédire l’apparition du courant anomal à partir d’arguments de symétrie basés sur le formalisme covariant SU(2).Dans un second temps, on considère une couche mince supraconductrice de type II en contact avec un skyrmion de Néel. Ce dernier induit des courants spontanés dans la couche supraconductrice, pouvant conduire à l’émergence d’un vortex supraconducteur en l’absence de champ magnétique extérieur. Les distributions de champ magnétique et de courant sont calculées dans le supraconducteur en présence du skyrmion de Néel.La dernière partie de cette thèse est consacrée à l’étude de l’apparition d’états de Yu-Shiba-Rusinov dans le cristal beta-Bi2Pd. On propose des modèles effectifs pour expliquer les récents résultats expérimentaux montrant une double oscillation spatiale de la densité d’états locale à l’énergie de Shiba. On démontre que la condition minimale pour reproduire cette double oscillation correspond à la présence de deux canaux supraconducteurs connectés via un terme de saut ou via une impureté magnétique. Ces modèles effectifs peuvent facilement être généralisés pour décrire le spectre de supraconducteurs multi-bandes en présence d’impuretés magnétiques.


  • Résumé

    The interplay between superconductivity and spin-dependent fields is known to lead to striking phenomena, like critical field enhancement, magnetoelectric effects and the appearance of Yu-Shiba-Rusinov bound states at magnetic impurities. In this thesis, we investigate these effects in low dimensional systems.We first demonstrate that the combination of both spin-orbit and Zeeman fields in superconducting one-dimensional systems leads to the appearance of an inhomogeneous phase at low magnetic field and high critical temperature. We show that the ground state corresponds to a zero-current state where the current stemming from spin-orbit coupling, called anomalous charge current, is exactly compensated by the current coming from the wave-vector of the superconducting order parameter. We also discuss how it is possible to predict the appearance of the anomalous current from symmetry arguments based on the SU(2)-covariant formalism.In a second part, we consider a type-II superconducting thin film in contact with a Néel skyrmion. The skyrmion induces spontaneous currents in the superconducting layer, which under the right condition generate a superconducting vortex in the absence of external magnetic fields. We compute the magnetic field and current distributions in the superconducting layer in the presence of the Néel skyrmion.In the last part of this thesis, we focus on the appearance of Yu-Shiba-Rusinov states in the superconducting crystal beta-Bi2Pd. We propose effective models in order to explain recent experimental results showing a double spatial oscillation of the local density of states at Shiba energy. We demonstrate that the minimal condition to reproduce this double oscillation is the presence of two superconducting channels connected via a hopping term or via a magnetic impurity. These effective models can be easily generalized to describe the spectrum of multiband superconductors with magnetic impurities.


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