Modélisation théorique et analyse des états liés aux impuretés dans les supraconducteurs

Theoretical modeling and analysis of impurity-bound states in superconductors

• Auteur / Autrice : Mateo Uldemolins
• Direction : Andrej Mesaros, Hervé Aubin, Pascal Simon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Falko Pientka
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annica Black-Schaffer, Miguel Ángel Cazalilla, Cristina Bena
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annica Black-Schaffer, Miguel Ángel Cazalilla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux de transition

Microscopie tunnel à balayage

Défauts ponctuels

BCS, Théorie

Supraconductivité

Mots clés libres

Supraconductivité

Défauts ponctuels

États liés

Microscopie à effet tunnel

Dichalcogénures de Métaux de Transition

Superconductivity

Local defects

Bound states

Scanning tunneling microscopy

Transition Metal Dichalcogenides

Résumé

Les systèmes de matière condensée sont sensibles aux imperfections locales du réseau cristallin. Dans les supraconducteurs conventionnels, une impureté magnétique est l'un des défauts les plus simples entraînant la rupture de paires. Elle induit des excitations intra-gap spatialement localisées --appelées états liés de Yu-Shiba-Rusinov (YSR)-- qui sont régulièrement sondées par microscopie à effet tunnel (STM, de l'acronyme en anglais). Les propriétés spectrales des états de YSR et leur structure spatiale sont complexes car elles combinent de l'information sur la structure de bandes du substrat, la fonction du gap supraconducteur et le couplage impureté-substrat. Caractériser ces particularités est cruciale pour exploiter le potentiel des états de YSR en tant qu'outil de sondage local, ainsi que pour concevoir des états d'impureté collectifs hébergeant des phases exotiques de la matière. Dans ce contexte de recherche, cette thèse étudie divers aspects des impuretés locales au sein d'un supraconducteur. Tout d'abord, inspirés par l'amélioration des possibilités de réglage du niveau de Fermi dans des nouveaux matériaux, e.g. les monocouches des dichalcogénures de métaux de transition (TMDs de l'acronyme en anglais) et les hétérostructures Moiré, nous étudions comment les singularités de Van Hove dans la densité d'états du subtrat se manifestent dans les états de YSR. Deuxièmement, nous dévoilons une relation analytique simple entre l'anisotropie dans l'espace réel des états de YSR et l'anisotropie dans l'espace réciproque de la structure de bandes et de la fonction du gap supraconducteur du substrat, que nous l'utilisons ensuite pour analyser des mesures STM sur de NbSe₂. Troisièmement, nous explorons comment détecter l'existence d'une composante triplet sous-dominante dans le paramètre d'ordre supraconducteur, pertinent pour les TMDs, à partir de la réponse locale aux défauts ponctuels. Enfin, en lien avec des mesures récentes de STM sur de Fe(Se, Te), nous analysons des états intra-gap multiples dont l'energie est modifiable sur des impuretés de Fe. Afin d'expliquer les observations expérimentales, nous considérons un modèle d'impureté d'Anderson qui reflète la nature multi-orbitale des adatomes, et proposons un nouveau type de transition de phase quantique induite par l'impureté qui résulte du couplage de Hund.

Condensed matter systems are sensitive to single local imperfections of the crystalline lattice. In conventional superconductors, a magnetic impurity is one of the most simple pair-breaking defects. It induces spatially-localized in-gap excitations --called Yu-Shiba-Rusinov (YSR) bound states-- routinely probed by scanning tunneling microscopy (STM). The spectral properties of YSR states and their spatial structure are complex as they blend the information about the band structure of the host, the superconducting pairing function, and the impurity-substrate coupling. Characterizing these features is crucial to exploit the potential of YSR states as a local probing tool and to design collective impurity states hosting exotic phases of matter. In view of this ongoing research effort, this thesis investigates various aspects of the interplay between single local impurities and the superconducting state. First, motivated by the improved capability for tuning the Fermi level in novel materials, e.g. monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) and Moiré heterostructures, we study how Van Hove singularities in the density of states of the host manifest in YSR states. Second, we unveil a simple analytical relationship between the real-space anisotropy of YSR states and the momentum-space anisotropy of the band structure and gap function of the substrate with which we analyze STM measurements on NbSe₂. Third, we explore how to infer the existence of a subdominant triplet component in the superconducting order parameter relevant to TMDs from the local response to point defects. Finally, motivated by recent STM measurements on Fe(Se, Te), we analyze multiple energy-tunable in-gap bound states on Fe impurities. To account for the experimental observations, we consider an Anderson impurity model that reflects the adatoms' multi-orbital nature, and we propose a new type of impurity-driven quantum phase transition resulting from Hund's coupling.