Effet de proximité dans les hétérostructures supraconducteur onde-d à haute température critique/matériaux 2D

Proximity Effect in High-Tc d-wave Superconductor/2D Materials Heterostructures

• Auteur / Autrice : Kévin Seurre
• Direction : Javier E. Villegas, Pierre Seneor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/01/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....)
• 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 : Jean-Christophe Charlier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wolfgang Lang, Miguel Ortuño, Claire Akiko Marrache-Kikuchi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wolfgang Lang, Miguel Ortuño

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière condensée

Matériaux 2D

Supraconductivité à hautes températures

Mots clés libres

Supraconducteur

Matériaux 2D

Effet de proximité

Réflexion d'Andreev

Onde d

YBCO

Superconductivity

2D materials

Proximity effect

Andreev reflexion

D-Wave

YBCO

Résumé

L'émergence des matériaux bidimensionnels (2D), associée aux supraconducteurs onde d à haute température critique (HTc), étudiés de longue date, permet le développement de dispositifs aux nouvelles fonctionnalités. Cependant, il est d'abord nécessaire de comprendre le couplage entre ces matériaux.Cette thèse, qui englobe à la fois des expériences et leur description théorique, est dédiée à cette exploration avec pour objectif principal la compréhension de la physique à l'interface des supraconducteurs onde d et des matériaux 2D, en modulant des paramètres externes tels que la température, le champ magnétique et la tension de grille.Le point central de la thèse tourne autour de l'interface entre YBa₂Cu₃O₇₋ₓ (YBCO), un oxyde supraconducteur onde d à haute température critique, et d'autres matériaux, examinée à la fois de manière théorique et expérimentale. L'aspect théorique comprend une revue approfondie de la théorie Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) dans le cas des supraconducteurs onde d, accompagnée de calculs numériques concrets que j'ai réalisés pour des publications. La composante expérimentale implique l'étude de jonctions SN utilisant de l'YBCO et des métaux. L'analyse, employant à la fois la théorie BTK et le formalisme d'Usadel, révèle que, bien que la supraconductivité onde d soit induite dans la fine couche en proximité de YBCO, l'interface entre le métal et le YBCO supraconducteur/isolant génère des corrélations supraconductrices de type s qui rivalisent avec les corrélations de type d et s'étendent sur une grande partie du métal. Ces premiers résultats offrent une base solide pour l'étude des hétérostructures YBCO/2D.J'ai ensuite étudié des jonctions YBCO/graphène/YBCO, dont la magnétorésistance a révélé une modulation de la résistance différentielle. L'étude systématique de la dépendance au champ magnétique circonscrit les principales caractéristiques de cet effet. L'origine de ces effets oscillatoires dans les jonctions supraconductrices est largement discutée, suggérant l'effet Al'tshuler-Aronov-Spivak; ces oscillations cohérentes résultent des interférences entre les particules normalement et Andreev réfléchies en présence d'un champ magnétique.Cette exploration du couplage entre les supraconducteurs onde d et les matériaux 2D est étendue à l'étude des jonctions YBCO/MoS₂. Alors que les jonctions planaires similaires à celles déjà mentionnées nécessitent des développements ultérieurs, j'ai mis au point une nouvelle méthode pour aborder la croissance délicate des matériaux 2D directement au-dessus des oxydes supraconducteurs. Les détails d'optimisation et une analyse approfondie des mesures de transport des dispositifs supraconducteurs fabriqués avec cette méthode démontrent un excellent couplage entre l'YBCO et MoS₂, offrant des perspectives prometteuses pour de futurs dispositifs de proximité.

The emergence of innovative bidimensional materials (2D), coupled with the long-studied High- Tc d-wave superconductors, allows for the development of devices with new functionalities. It however first requires to understand the coupling between these media.This thesis, which encompasses both experiments and their theoretical description, is dedicated to this exploration with the primary objective of understanding the physics at the interface of d-wave superconductors and 2D materials, by modulating external parameters such as temperature, magnetic field, and gate voltage.The central focus of the thesis revolves around the interface between YBa₂Cu₃O₇₋ₓ (YBCO), a High-Tc d-wave superconducting oxide, and other materials, examined both theoretically and experimentally. The theoretical aspect encompasses a comprehensive review of the Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) theory for d-wave superconductors, accompanied by concrete numerical calculations I carried out for publications. The experimental component involves the investigation of SN junctions using YBCO and metals. The analysis, employing both the BTK theory and Usadel's framework, reveals that while d-wave superconductivity is induced in the thin layer in proximity of YBCO, the interface between the metal and the superconducting/insulating YBCO generates s-wave superconducting correlations that compete with d-wave correlations and extend over a large portion of the metal. These first results offer a strong ground for the study of YBCO/2D materials heterostructures.I subsequently studied YBCO/graphene/YBCO junctions, in which magnetoresistance revealed modulation in the differential resistance. The systematic investigation of the magnetic field dependence circumscribes the main features of this effect. The origin of these oscillatory effects in superconducting junctions is widely discussed, pointing toward the Al'tshuler-Aronov-Spivak effect; these coherent oscillations result from interferences between normally and Andreev reflected particles in the presence of a magnetic field.This exploration of the coupling between d-wave superconductors and 2D materials is extended to the study of YBCO/MoS₂ junctions. While planar junctions similar to the ones already mentioned require further developments, I developed a new method for addressing the challenging growth of 2D materials directly atop superconducting oxides. The optimization details and a thorough analysis of transport measurements of superconducting devices fabricated with this method demonstrate excellent coupling between YBCO and MoS₂, holding promise for future proximity devices.