Etats liés magnétiques dans les supraconducteurs bidimensionnels

Magnetic bound states in two-dimensional superconductors

• Auteur / Autrice : Jean-Maxime Schlachter
• Direction : Clemens Winkelmann, Vincent Renard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS

Mots clés

Mots clés libres

Supraconductivité

Magnétisme

Etats Yu-Shiba-Rusinov

Proximité

Microscope à effet tunnel

Superconductivity

Magnetism

Yu-Shiba-Rusinov states

Proximity

Scanning tunneling microscope

Résumé

La microscopie/spectroscopie à effet tunnel (STM/STS) est un outil extrêmement sensible et polyvalent pour étudier les caractéristiques topographiques à l'échelle atomique et les variations de la densité locale des états. À l'aide d'un STM à basse température, nous étudierons les signatures des interactions magnétiques et l'éventuelle supraconductivité topologique, en utilisant de nouvelles combinaisons de supraconducteurs et de nanostructures magnétiques. Le substrat supraconducteur sera fourni soit par (i) des supraconducteurs intrinsèques dans la limite d'une ou de quelques couches atomiques, soit (ii) du graphène monocouche supraconducteur non intrinsèquement dans lequel la supraconductivité est induite à partir d'un supraconducteur proche. Nous étudierons les propriétés de transport quantique des électrons entre la pointe et la nanostructure, notamment sa réponse à une excitation micro-onde et sa capacité à transporter le supercourant Josephson. Les expériences viseront à suivre les signatures du MBS avec une haute résolution spatiale et énergétique à proximité d'adsorbats magnétiques uniques. En utilisant la plus grande extension spatiale de MBS sur des supraconducteurs 2D, nous couplerons deux ou plusieurs de ces états pour étudier les états moléculaires de Shiba ou même les bandes de Shiba dans des ensembles plus grands. Le travail du doctorant comprendra : - Préparation et croissance de combinaisons de substrats supraconducteurs par épitaxie par jets moléculaires, et création de nanostructures magnétiques, par auto-assemblage ou manipulation d'un seul atome. - Réalisation de mesures par sondes à balayage basse température, avec un focus particulier sur les effets de transport quantique (effet Josephson, effet tunnel assisté par photons, …). - Analyse théorique et interprétation.

The presence of a nanoscale magnetic scatterer (a single atom, a molecule, a quantum dot etc.) on the surface of a superconductor can lead to the emergence of magnetic bound states (MBS) with peculiar spatial and spectral properties within the superconducting gap [1]. These states can be topologically trivial (the case of so-called Shiba states) or not (predicted Majorana zero modes). Scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS) is an extremely sensitive and versatile tool to investigate atomic scale topographic features and variations in the local density of states. Using a low-temperature STM, we will study the signatures of magnetic interactions and possible topological superconductivity, using novel combinations of superconductors and magnetic nanostructures. The superconducting substrate will be provided either by (i) intrinsic superconductors in the single or few atomic layer limit, or (ii) non-intrinsically superconducting single-layer graphene into which superconductivity is induced from a nearby superconductor. We will study the quantum transport properties of electrons between the tip and the nanostructure, including its response to a microwave excitation and the ability to carry Josephson supercurrent. The experiments will aim at tracking the signatures of the MBS with high spatial and energetic resolution near single magnetic adsorbates. Using the larger spatial extension of MBS on 2D superconductors, we will couple two or more of these states to study Shiba molecular states or even Shiba bands in larger ensembles [3]. The experimental work is at the interface between surface science and quantum transport studies. The experiments will be performed using a milliKelvin STM available in the host group at PHELIQS/CEA. The project further involves molecular beam epitaxy (MBE) growth of the sample, in the neighboring lab at Spintec/CEA (M. Jamet). In also bases on a strong collaboration with FU Berlin (K. Franke), which is widely recognized in the field. Eventually, the work is supported by strong interactions with theory groups in Grenoble and Berlin. The graduate student's work will include: - Preparing and growing combinations of superconducting substrates by molecular beam epitaxy, and creating magnetic nanostructures, by self-assembly or single-atom manipulation. - Performing low temperature scanning probe measurements, with a particular focus on quantum transport effects (Josephson effect, photon-assisted tunneling, ). - Theoretical analysis and interpretation.