Spin and out-of-equilibrium transport in mesoscopic superconductors

par Marko Kuzmanović

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Marco Aprili.

Le président du jury était Hervé Courtois.

Le jury était composé de Mark Blamire, Elke Scheer, Wolfgang Belzig, Charis Quay Huei Li, Hélène Bouchiat.

Les rapporteurs étaient Mark Blamire, Elke Scheer.

  • Titre traduit

    Transport hors-équilibre et de spins dans les supraconducteurs mésoscopiques


  • Résumé

    Dans un dispositif supraconducteur de taille mésoscopique la faible interaction entre quasi-particuleset le faible taux de relaxation de spin à basse température permet de préserver la cohérence de phasesur la taille de l’échantillon et de modifier artificiellement les fonctions de distribution, pour lesporter loin de l’équilibre. Ainsi un supraconducteur peut devenir magnétique ou un métal normalsupraconducteur. Pour opérer de telles transformations nous avons réalisé des dispositifs hybridesoù le supraconducteur est en contact avec des métaux normaux ou sous champ magnétique Zeeman.Nous avons utilisé la lithographie électronique et le dépôt en couche minces pour préparer dedispositifs hybrides métalliques et nous avons étudié le transport de charge, spin et énergie dans dessupraconducteurs diffusifs par le biais des propriétés spectrales et des fonctions de distributions. Ace fin nous avons réalisé trois expériences.1. Spectroscopie des quasi-particules hors-équilibre. Grâce au splitting Zeeman de la densité d’étatssupraconductrice de l’Aluminium, il est possible d’injecter un courant de quasi-particules polariséesen spin. L’Aluminium acquière ainsi une aimantation hors-équilibre. Par la mesure de lacaractéristique non-linéaire courant-tension de détecteurs positionnés à différentes distances dupoint d’injection, nous réalisons une mesure résolue en énergie et sensible au spin du nombre dequasi-particules de basse énergie injectées. Si le détecteur est situé à une distance inférieure à lalongueur de relaxation de spin-flip et de relaxation de l’énergie du point d'injection, nous observonsque la fonction de distribution des quasi-particules dépend du spin et ne sont pas Fermi-Dirac. Nousmontrons ainsi que le flux d’énergie associé au courant d’injection est aussi dépendant du spin.Comme attendu théoriquement, le splitting Zeeman brise la dégénerescence de spin du mode hors-équilibre d’énergie.2. Emission Josephson hors-équilibre. Dans une jonction superconductor–normal metal–superconductor,le métal normal devient supraconducteur par effet de proximité avec le supraconducteur et les étatsliés d’Andreev dans le métal normal transportent le supercourant. En mesurant l’émissionJosephson-ac autour de la fréquence de 6 GHz, on accède au contenu harmonique de la relationcourant-phase (CPR). Nous avons expérimentalement identifié un régime non adiabatique danslequel la CPR est modifiée par irradiation micro-ondes à haute fréquence. Cette observations’explique par l’excitation de quasi-particules dans le métal normal induite par le champélectromagnétique haute fréquence. La distorsion du CPR provient de la fonction de distributionhors équilibre dans le métal normal qui dépend de la différence de phase à travers la jonction etmodifie le courant spectral. Pour une différence de phase qui s’approche de π, les transitions àtravers le mini-gap sont favorisées de manière dynamique, ce qui conduit à une réduction dusupercourant. Cette constatation est corroborée par une comparaison avec la théorie quasi-classiquede la supraconductivité.


  • Résumé

    In a mesoscopic superconducting device, weak quasiparticle-quasiparticle interactions and slow spinrelaxation at low temperatures makes it possible to preserve phase coherence over the whole sampleand artificially modify distribution functions, driving them far from equilibrium. Partly because ofthis, superconductors can become magnetic or a normal metals superconducting. To induce thesetransformations we fabricated hybrid devices where the superconductor is in contact with normalmetals or experiences a Zeeman magnetic field, using e-beam lithography and thin film deposition.We studied charge, spin and energy transport in diffusive superconductors through their spectralproperties and distribution functions in three different experiments.1. Spectroscopy of out-of-equilibrium quasiparticles. The Zeeman splitting of their density of states insuperconducting aluminium makes the injection of spin-polarised quasiparticles possible. Aluminumthus acquires a non-equilibrium magnetization. By measuring non-linear current-voltagecharacteristics of detectors placed at different distances from the injection point, we obtain energy-resolved and spin-sensitive information on the number of low-energy quasiparticles. If the detectoris located at a distance less than the spin-flip relaxation and injection site energy relaxation time, weobserve that the quasiparticle distribution function depends on the spin and is non-Fermi-Dirac. Weshow that the energy flow associated with the injection current is also spin-dependent. Astheoretically expected, the Zeeman splitting breaks the spin degeneracy of the energy excitationmode.2. Out-of-equilibrium Josephson emission. A normal metal in contact with two superconductors becomessuperconducting through the proximity effect; Andreev bound states carry supercurrents throughthe normal metal. By measuring the AC Josephson emission around 6 GHz, we probe higher orderFourier components of the current-phase relation (CPR). We have experimentally identified a non-adiabatic regime in which the CPR is modified by high-frequency microwave radiation. Thisobservation is explained by the excitation of quasiparticles in the normal metal by the high-frequency electromagnetic field. The CPR distortion results from the non-equilibrium quasiparticledistribution functions in the normal metal, which depend on the phase difference across thejunction and modifies the spectral current. For a phase difference close to π, transitions across themini-gap are dynamically preferred, which leads to a reduction of the supercurrent. Our results agreewell with the quasiclassical theory of superconductivity.


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