Yu-Shiba-Rusinov states in superconductor-quantum dot transistors made by electromigration

par Alvaro Garcia Corral

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Clemens Winkelmann et de Hervé Courtois.

Soutenue le 16-10-2020

à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Franck Balestro.

Le jury était composé de Pascal Simon, Romain Maurand.

Les rapporteurs étaient Marcelo Fabian Goffman, Richard Deblock.

  • Titre traduit

    Etats de Yu-Shiba-Rusinov dans des transistors supraconducteur-boîte quantique fabriqués par électromigration


  • Résumé

    Une impureté magnétique intégrée dans un supraconducteur (SC) peut avoir un effet perturbateur sur la supraconductivité, réduisant localement l'énergie d'appariement des paires de Cooper et conduisant à la génération d'états sous-gap Yu-Shiba-Rusinov (YSR) autour d'elle.L'interaction d'échange entre le spin à l'impureté et les électrons au milieu favorise une configuration de singulet d'écrantage Kondo, tandis que les corrélations supraconductrices s'opposent à la formation d'un nuage d'écrantage, laissant l'impureté non-écrantée à l'état de doublet. L'état fondamental local (GS) du système est ensuite déterminé par l'interaction complexe entre les deux phénomènes, donnant lieu à des propriétés intrigantes qui ont fait l'objet d'un grand intérêt au cours de la dernière décennie.Les dispositifs hybrides mettant en contact des structures à boîte quantique (QD) avec des bornes supraconductrices offrent une plateforme idéale pour l'étude d'une telle concurrence, car les QD peuvent également montrer un caractère magnétique pour les occupations impaires. Dans cette thèse, nous étudions les propriétés de transport des QD colloïdaux (nanoparticules métalliques et fullerènes) mis en contact individuellement avec des bornes d'aluminium nues à travers des barrières tunnel faites par électromigration, dans une configuration de transistor. La combinaison d'une densité d'états fortement discrétisée dans des QD colloïdaux avec à net gap présent dans l'aluminium supraconducteur permet de mesurer les spectres YSR, apparaissant dans des jonctions SC-QD-SC affichant une grande asymétrie dans le couplage tunnel, avec une résolution sans précédent. La réponse du système SC-QD versus la tension de grille, le champ magnétique externe et la température a été caractérisée, identifiant le point de transition (QPT) dès la phase singulet-GS au doublet-GS. Une reprise frappante de la position du QPT est révélée à de faibles champs magnétiques, attribuée à la séparation Zeeman de l'état du doublet.


  • Résumé

    A magnetic impurity embedded in a superconductor (SC) can have a disruptive effect on superconductivity, locally reducing the pairing energy of Cooper pairs and leading to the generation of Yu-Shiba-Rusinov (YSR) sub-gap states around it. The exchange interaction between the spin at the impurity and the electrons at the medium favors a Kondo-screening singlet configuration, while superconducting correlations oppose to the formation of a screening cloud, leaving the impurity unscreened in a doublet state. The local ground state (GS) of the system is then determined by the complex interplay between both phenomena, giving rise to intriguing properties that have been subject of great interest over the last decade.Hybrid devices contacting quantum-dot (QD) structures to superconducting leads offer an ideal platform for the study of such competition, as QDs can also display a magnetic character for odd occupancies. In this thesis, we investigate the transport properties of colloidal QDs (metallic nanoparticles and fullerenes) individually contacted to bare aluminum leads through tunnel barriers made by electromigration, in a transistor configuration. The combination of a strongly discretized density of states in colloidal QDs with the sharp gap present in superconducting aluminum allows to measure the YSR spectra, appearing in SC-QD-SC junctions displaying a large asymmetry in the tunnel coupling, with an unprecedented resolution. The response of the SC-QD system against gate voltage, external magnetic field and temperature has been characterized, identifying the transition point (QPT) from the singlet-GS phase to the doublet-GS. A striking upturn of the QPT gate position is revealed at low magnetic fields, attributed to the Zeeman-splitting of the doublet state.


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