Réseau d'impuretés Shiba dans des réseaux supramoléculaires

Lattices of Shiba states in supramolecular architectures

• Auteur / Autrice : Yingzheng Gao
• Direction : Dimitri Roditchev, Stéphane Pons
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/02/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (Paris ; 2010-....) - Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (UMR 8213)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Luca De' Medici
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dimitri Roditchev, Stéphane Pons, Laurence Masson, Fabien Silly, Claude Chapelier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Masson, Fabien Silly

Mots clés

Mots clés libres

Supraconductivité

Impuretés magnétiques

Microscopie à effet tunnel

Spectroscopie à effet tunnel

Superconductivity

Magnetic impurities

Scanning tunneling microscopy

Scanning tunneling spectroscopy

Résumé

- Résumé:L'interaction entre des moments localisés d'impuretés magnétiques et des électrons itinérants peut engendrer la polarisation magnétique de la mer de Fermi et/ou des phénomènes plus exotiques près du niveau de Fermi tels qu'une renormalisation de la masse des électrons de conduction et un état fondamental non magnétique dû à l'effet Kondo. Une fois la supraconductivité introduite dans un tel système, le moment magnétique d'une impureté, s'il est suffisamment rigide, peut induire des états Yu-Shiba-Rusinov (états Shiba) qui peuvent ensuite former de nouveaux états topologiques lorsqu'ils sont couplés les uns aux autres à l'échelle nanomètrique. Ces phénomènes ont été largement étudiés ces dernières années, car ils sont essentiels pour la conception de dispositifs spintroniques émergent et aux technologies quantiques.L'une des orientations prometteuses pour la conception de tels dispositifs est la fabrication d'hybrides à base de molécules magnétiques adsorbées sur des surfaces métalliques. Nous avons utilisé dans cette thèse les techniques de microscopie/spectroscopie à effet tunnel (STM/STS) pour étudier l'organisation, les propriétés électroniques, magnétiques et supraconductrices de systèmes supramoléculaires magnétiques autoassemblés sur des surfaces métalliques dans l'état normal et supraconducteur.Dans un premier chapitre, nous introduisons l'état des connaissances sur les interactions d'impuretés magnétiques déposées sur des surfaces métalliques et supraconductrices. Ensuite nous présentons les techniques expérimentales et numériques qui ont été utilisées pour préparer les échantillons, acquérir les données et les analyser. Le dispositif expérimental est également brièvement décrit. dans les chapitres suivants, nous détaillons les résultats obtenus lors de l'étude des propriétés structurales et électroniques1. De molécules Fe-DPyDBrPP déposées à la surface Au(111)2. De systèmes supramoléculaires à base de molécules Fe-DBrDPP déposées sur la surface supraconductrice Pb(110)- ConclusionLes résultats que nous avons présentés dans cette thèse devraient nous aider à mieux appréhender la relation entre la structure de systèmes supramoléculaires de molécule magnétiques à base de porphyrine déposés sur des métaux et des supraconducteurs sur leur propriétés électroniques. L'effet de charge émergent induit par la conformation structurale et l'interaction avec le substrat observé dans les deux systèmes pourrait éventuellement être utilisé pour le contrôle de l'état de spin, ce qui est essentiel pour le développement de dispositifs spintroniques moléculaires.D'autres travaux d'étude de molécules à base de porphyrine composées de différents ligands et de métaux de transition centraux sur différentes surfaces métalliques peuvent être mis en œuvre. Par exemple, la chaîne moléculaire de Fe-DPyDBrPP déposée par liaison covalente sur une surface d'argent plus chimiquement active peut éventuellement devenir une chaîne de Kondo et développer une interaction spin-spin inter-moléculaire. En outre, la formation artificielle de liaisons covalentes sur la surface, assistée par une pointe STM, mérite également d'être tentée. Nous pouvons appliquer une impulsion de tension aux molécules pour dissocier les atomes de brome et former artificiellement un dimère de liaison covalente. Par exemple, dans les réseaux "4mer", deux atomes de brome de molécules voisines sont très proches et pourraient être dissociés simultanément par une impulsion de tension pour former une liaison covalente.

- Summary:The interaction between localized magnetic impurity moments and itinerant electrons can generate magnetic polarization of Fermi sea and/or more exotic phenomena near the Fermi level such as a renormalization of the conduction electron mass and a nonmagnetic ground state due to the Kondo effect. Once superconductivity is introduced in such a system, the magnetic moment of an impurity, if sufficiently rigid, can induce Yu-Shiba-Rusinov states (Shiba states) which can then form new topological states when coupled together at the nanometer scale. These phenomena have been widely studied in recent years, as they are essential for the design of emerging spintronic devices and quantum technologies.One of the promising platform for the design of such devices is the fabrication of hybrids based on magnetic molecules adsorbed on metal surfaces. In this thesis, we have used scanning tunneling microscopy/ spectroscopy (STM/STS) techniques to study the organization, electronic, magnetic and superconducting properties of magnetic supermolecular systems self-assembled on metal surfaces in the normal and superconducting state.In the first chapter, we introduce the state of knowledge on the interactions of magnetic impurities deposited on metallic and superconducting surfaces. Then we present the experimental and numerical techniques that were used to prepare the samples, acquire the data and analyze them. The experimental setup is also briefly described. In the following chapters, we detail the results obtained in the study of the structural and electronic properties of1. Fe-DPyDBrPP molecules deposited on the Au(111) surface2. Supermolecular systems based on Fe-DBrDPP molecules deposited on the Pb(110) superconducting surface.- ConclusionThe results we have presented in this thesis should help us to better understand the relationship between the structure of porphyrin-based magnetic supramolecular systems deposited on metals and superconductors on their electronic properties. The emerging charge effect induced by the structural conformation and the interaction with the substrate observed in both systems could eventually be used for spin state control, which is essential for the development of molecular spintronic devices.Further work to study porphyrin-based molecules composed of different ligands and central transition metals on different metal surfaces can be implemented. For example, the Fe-DPyDBrPP molecular chain covalently deposited on a more chemically active silver surface can eventually become a Kondo chain and develop an inter-molecular spin-spin interaction. In addition, the artificial formation of covalent bonds on the surface, assisted by an STM tip, is also worth trying. We can apply a voltage pulse to the molecules to dissociate the bromine atoms and artificially form a covalent bond dimer. For example, in "4mer" arrays, two bromine atoms of neighboring molecules are very close and could be dissociated simultaneously by a voltage pulse to form a covalent bond.