Transitions de phase quantiques et fluctuations dans Bi2Si2CaCu2O8+x monocouche dopé par charge d’espace

Quantum phase transitions and fluctuations in space charge doped one unit-cell Bi2Sr2CaCu2O8+x

• Auteur / Autrice : Fang Wang
• Direction : Abhay Shukla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/09/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Brigitte Leridon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marcello Civelli, Johan Biscaras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Brouet, Christoph Renner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs -- Dopage

Transitions métal-isolant

Supraconducteurs

Transitions de phases

Mots clés libres

Transition supraconducteur-isolant

Deux dimensions

Transition de phase quantique

BSCCO-2212

Dopage par charge d'espace

Supraconductivité

Fluctuation

Superconductor-insulator transition

Quantum phase transition

Fluctuation

Résumé

La transition supraconducteur-isolant en deux dimensions est une transition de phase quantique continue à la température du zéro absolu provoquée par des paramètres externes tels que le désordre, le champ magnétique ou la concentration de porteurs. De telles transitions ont été induites dans une variété de supraconducteurs bidimensionnels en ajustant différents paramètres externes et étudiées avec une analyse de renormalisation de taille finie. Il y a cependant assez peu d'uniformité dans les résultats car à la fois les systèmes supraconducteurs et les paramètres externes sont divers. Dans cette thèse, nous avons d'abord fabriqué des échantillons BSCCO-2212 d'épaisseur d'une cellule unité et de grande qualité avec la technique de collage anodique, une méthode originale d'exfoliation développée dans notre laboratoire pour préparer des cristaux 2D de haute qualité à partir de matériaux lamellaires massifs. Ensuite, nous avons provoqué la transition supraconducteur-isolant dans les échantillons fabriqués de Bi2.1Sr1.9CaCu2O8+x monocouche par dopage par charge d'espace, qui est une technique efficace de dopage électrostatique à effet de champ. Nous avons déterminé les paramètres critiques associés et développé un moyen fiable d'estimer le dopage dans la région non supraconductrice, un problème crucial et central dans ces matériaux. L'analyse par renormalisation de taille finie donne un dopage critique de 0,057 trous/Cu, une résistance critique de ~ 6.85 kOhm et un produit d'exposant critiques νz ~ 1,57. Ces résultats, ainsi que des travaux antérieurs sur d'autres matériaux, fournissent une image cohérente de la transition supraconducteur-isolant et de sa nature bosonique dans le régime sous-dopé de la supraconductivité émergente dans les supraconducteurs à haute température critique. Ensuite, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons également étudié les effets de l'inhomogénéité et des fluctuations sur la transition supraconductrice à l'échelle mésoscopique et nanoscopique à la fois avec des simulations et des mesures de transport. L'utilisation d'un échantillon ultra-mince facilite également l'analyse sur deux fronts. Tout d'abord, en deux dimensions, les phénomènes de fluctuation liés à la transition supraconductrice sont exacerbés, facilitant l'analyse des changements de largeurs. Deuxièmement, les aspects liés à la percolation et au clustering peuvent être facilement simulés et comparés à des modèles analytiques. En particulier, les effets des fluctuations sur le côté surdopé et sous-dopé du diagramme de phase d'une monocouche de BSCCO-2212 sont discutés. Nous avons découvert que le régime de fluctuation dans la partie sous-dopée du diagramme de phase est fondamentalement différent de celui dans la partie où p > 0,19. Nous avons discuté du comportement possible des paires de Cooper liées à nos résultats expérimentaux, ainsi que d'une des théories pouvant l'expliquer (transition BEC-BCS).

The superconductor-insulator transition in two dimensions is a continuous quantum phase transition at absolute zero temperature driven by external parameters like disorder, magnetic field, or carrier concentration. Such transitions have been induced in a variety of two dimensional superconductors by tuning different external parameters and studied with a finite-size scaling analysis. There is however not much uniformity in the findings as both the superconducting systems and the tuning parameters are diverse. In this thesis, we first fabricated high quality of one unit-cell BSCCO-2212 samples with anodic bonding technique, an original method of exfoliation developed in our laboratory for preparing high quality 2D crystals from layered bulk materials. Then we revealed the superconductor-insulator transition in the fabricated one unit-cell Bi2.1Sr1.9CaCu2O8+x by space charge doping, which in an effective field effect electrostatic doping technique. We determined the related critical parameters and develop a reliable way to estimate doping in the non-superconducting region, a crucial and central problem in these materials. Finite-size scaling analysis yields a critical doping of 0.057 holes/Cu, a critical resistance of ~ 6.85 kΩ and a scaling exponent product νz ~ 1.57. These results, together with earlier work in other materials, provide a coherent picture of the superconductor-insulator transition and its bosonic nature in the underdoped regime of emerging superconductivity in high critical temperature superconductors. Then in the latter part of this thesis, we also investigated the effects of inhomogeneity and fluctuations on superconducting transition on mesoscopic and nanoscopic scale both with simulation and with simulations and with analysis of transport measurements. The use of an ultra-thin sample also facilitates analysis on two fronts. Firstly, in two dimensions fluctuation phenomena related to the superconducting transition are exacerbated, making the analysis of changes in widths easier. Secondly aspects related to percolation and clustering can be easily simulated and compared with analytical models. Especially, the effects of fluctuations on the overdoped and underdoped side of the phase diagram of one unit-cell BSCCO-2212 are discussed. We discovered that the fluctuation regime in the underdoped part of the phase diagram is fundamentally different from that in the part where p > 0.19. We discussed the possible behaviour of cooper pairs related to our experimental results, as well as one existing theoretical explanation (BEC-BCStransition).