Driving out of equilibrium superconductivity with a STM
Modulation de la supraconductivité hors équilibre avec un STM
Résumé
Quasiparticles dynamics often governs the ultimate performances of superconducting devices. Out-of-equilibrium superconductivity has therefore attracted a long-standing interest. In order to probe the microscopic mechanisms at play, injection of quasiparticles with the help of a tunnel junction has already been employed at the mesoscopic scale, thanks to the outstanding progress in modern nanotechnology. However, lithographed tunnel junctions lack spatial resolution and do not allow to vary the bias voltage and the tunneling current independently. In order to overcome these two limitations the novelty of this PhD work is to use a Scanning Tunneling Microscope (STM) working at very low temperature (50 mK) to tune the critical current of superconducting nanowires as a function of the tip position and the tunneling set-point.In thin niobium nanowires capped with gold, we measured a drastic reduction of the critical current by injecting a tunnelling current of quasiparticles that is six orders of magnitude lower. We interpret this observation as a local increase of the electronic temperature. We also suggest that the same mechanism is at play in superconducting Field Effect Transistors (SuFETs). The critical current depends strongly on the injection position along the nanowire, the injection rate and the energy of the quasiparticles. At large energies compared to the superconducting gap, the reduction of the critical current is controlled by the injected power. Our measurements show that the diffusion of heat by quasiparticles and phonons explains the injection power and position dependencies, and allow to probe the electron-phonon coupling in our samples. By contrast, when reducing the energy at constant injection rate, the critical current sharply decreases close to the gap energy, signalling the breakdown of the quasi-equilibrium model. We explain this behaviour as a non Fermi Dirac out of equilibrium energy distribution of the quasiparticles, and this allows to estimate the relaxation rate of the quasiparticles. We also probed the spectral properties of current carrying nanowires, and induced magnetic vortices to create spatial variations in the density of states. We thus evidenced the effect of quasiparticle trapping by vortices at the nanometer scale, which is of particular interest since until now the only experiments that allow investigating the dynamics of an inhomogeneous superconducting system necessarily probed a macroscopic volume of the superconductor, rendering explanation of the measurements in terms of the inhomogeneity difficult.Therefore, this experimental work opens a new perspective to investigate the competition between diffusion, relaxation and recombination of quasiparticles in strongly disordered superconductors with various applications such as in photon detection and superconducting electronics.
Les performances des circuits supraconducteurs sont souvent limitées par la dynamique des quasiparticules, c’est pourquoi la supraconductivité hors équilibre suscite un intérêt de longue date. Pour sonder les mécanismes microscopiques mis en jeu dans un tel système, l’injection de quasiparticules a déjà été réalisée à l’aide de jonctions tunnel à l’échelle mésoscopique grâce aux progrès de la nanotechnologie moderne. Cependant, les jonctions tunnel lithographiées ont une résolution spatiale limitée et ne permettent pas de faire varier indépendamment la tension appliquée et le courant tunnel. Afin de surmonter ces difficultés, la nouveauté de ce travail de thèse est d’utiliser un microscope à effet tunnel (STM) fonctionnant à très basse température (50 mK) pour moduler le courant critique de nanofils supraconducteurs en faisant varier la position de la pointe et les conditions tunnel.Dans de fins nanofils de niobium recouverts d’or, nous avons mesuré une réduction radicale du courant critique en injectant par effet tunnel un courant de quasiparticules inférieur de six ordres de grandeur. Nous interprétons cette observation par une augmentation locale de la température électronique, et suggérons également que ce même mécanisme est à l’oeuvre dans les transistors supraconducteurs à effet de champ (SuFETs). Le courant critique dépend fortement de la position d’injection dans le nanofil, du taux d’injection et de l’énergie des quasiparticules. Pour des énergies grandes devant le gap supraconducteur, la réduction du courant critique est contrôlée par la puissance injectée. Nos mesures montrent que la diffusion de chaleur par les quasiparticules et les phonons explique la dépendance du courant critique avec la puissance et la position d’injection, et permettent de sonder le couplage électron-phonon dans nos échantillons. En revanche, en diminuant l’énergie des quasiparticules à taux d’injection constant, le courant critique décroit fortement près du gap supraconducteur, ce qui montre que le modèle de quasi équilibre thermique n’est plus valide. Nous expliquons ce comportement par une fonction de distribution des quasiparticules hors équilibre et non Fermi Dirac, et ceci nous permet d’estimer le taux de relaxation des quasiparticules. Nous avons également étudié les propriétés spectrales des nanofils en présence de courant, et induit des vortex avec un champ magnétique pour créer des inhomogeneités spatiales dans la densité d’état. Nous avons ainsi mis en évidence l’effet de piégeage des quasiparticules par les vortex à l’échelle nanométrique, ce qui présente un intérêt particulier puisque jusqu’ici les seules expériences qui permettaient d’étudier la dynamique d'un système supraconducteur inhomogène sondaient nécessairement un volume macroscopique, rendant difficile l’interprétation des mesures en termes d’inhomogénéité. Par conséquent, ce travail expérimental ouvre une nouvelle perspective pour étudier la compétition entre diffusion, relaxation et recombinaison de quasiparticules dans les supraconducteurs fortement désordonnés, avec de nombreuses applications dans les domaines de la détection de photons et de l’électronique supraconductrice.
Origine : Version validée par le jury (STAR)