Littérature scientifique sur le sujet « Supraconducteur désordonné »

Nous avons procédé dans cette thèse, à l'étude de la phase supraconductrice du composé organique quasi unidimensionnel, (TMTSF)2ClO4, dans son état relaxé et dans son état faiblement désordonné en se servant de la vitesse de refroidissement comme paramètre modifiable au passage de la température de transition de la mise en ordre des anions à TAO=24K comme c'est montré par les mesures de rayons X. Des mesures de transport électronique linéaire (mesure de résistivité) et non linéaire (V-I) ont été effectuées en injectant un courant le long de l'axe c de plus faible conduction et sous champ magnétique appliqué perpendiculairement (H//c) et parallèlement (H//b) aux plans supraconducteurs. Dans l'état relaxé, nous avons déterminé, pour la première fois, le diagramme de phase de vortex à partir des mesures de résistivité interplans et sous champ H//c, en établissant les différentes lignes caractéristiques de ce diagramme de phase (ligne du champ critique, ligne de fusion, ). L'analyse des courants critiques et des fluctuations supraconductrice nous révèlent bien clairement l'existence de fluctuations dont le caractère est de nature tridimensionnelle (3D). L'extrapolation de Hc2(T) à T=0K nous donne Hc2(0)=0.19T. Dans l'état liquide de vortex, au dessus de la température de fusion, l'analyse des courbes de résistivité électrique nous révèle un comportement thermiquement activé dans le modèle de TAFF (thermally activated flux flow) décrit par la loi d'Arrhenius. Nous avons fini l'étude de l'état liquide de vortex par une analyse de l'énergie d'activation. Nous avons trouvé une dépendance en 1/H de l'énergie d'activation indiquant une caractéristique liée à la déformation plastique des lignes de flux tridimensionnelles à cause vraisemblablement des joints de grains apparaissant lors du refroidissement. Cette dépendance est en faveur de l'anisotropie modérée dans notre composé. Les mesures de résistivité en champ magnétique appliqué le long de l'axe b de conduction modérée(H//b) montre une survie de la supraconductivité à très fort champ magnétique Cette possible survie de la supraconductivité, peut être expliquée par le changement de la dimensionnalité effective du système 3D vers 2D, résultant de la réduction de la longueur de cohérence supraconductrice à très fort champ magnétique. Le changement de la dimensionnalité 3D vers 2D à partir d'un champ de découplage évalué à H*=1T, s'accompagne d'une transition métal- isolant. A ce champ correspond une température de découplage des plans qui est de 0.65K. L'augmentation du désordre introduit par la vitesse de refroidissement montre une augmentation du champ critique supérieur, une ligne de fusion qui se décale vers les plus basses températures et une diminution de la longueur de corrélation des lignes de flux selon la direction la plus faiblement conductrice.

L'étude de la phase supraconductrice du conducteur organique quasi 1D, (TMTSF)2ClO4, à partir de mesures de transport électronique linéaire ( mesure de la résistivité le long de l'axe c, Pc ) en champ magnétique appliqué perpendiculairement et parallèlement aux plans supraconducteurs, nous a permis de déterminer le diagramme de phase de vortex, en établissant toutes les lignes caractéristiques (ligne du champ critique supérieur, ligne de fusion). L'analyse des courants critiques et des fluctuations supraconductrices montrent aussi que la structure est tridimensionnelle et que le transport dans la direction c est très cohérent, malgré le faible couplage dans cette direction. Dans l'état liquide de vortex, l'énergie d'activation montre une dépendance en H^(-1) caractéristique de la déformation plastique des lignes de flux tridimensionnelles à cause vraisemblablement de joints de grains apparaissant lors du refroidissement. L'augmentation du désordre introduit par la vitesse de refroidissement montre une augmentation du champ critique supérieur, une ligne de fusion qui se décale vers les plus basses températures et une diminution de la longueur de corrélation des lignes de flux selon la direction la plus faiblement conductrice
The present thesis work, was focusing in particular, on the superconducting state of quasi one dimensional organic conductor (TMTSF)2ClO4. We have determined a new vortex phase diagram of this compound, by interlayer transport measurement, performed under magnetic field applied perpendicular to the layers. Starting from an analysis of the critical current and the superconducting fluctuations, we have demonstrated that the electronic structure of (TMTSF)2ClO4 is three dimensional in nature and the transport along the weakest conductivity axis (c-axis) is very coherent although the coupling is weak in this direction. In the mixed state, the pinning energy in the liquid phase shows a 1/H dependence which corresponds to the plastic bending of the flux line lattice. Finally, we have also studied the effect of the disorder introduced by different thermal cooling rates. Our results show strong modifications on the superconducting parameters

L'étude des systèmes désordonnés est un problème ancien mais dont de nombreux aspects ne sont toujours pas élucidés. En effet, l'existence de désordre a le double effet de i. modifier et augmenter l'importance des interférences quantiques et de ii. renforcer les interactions coulombiennes. De plus, la prise en compte d'éventuelles fluctuations supraconductrices enrichit considérablement la problématique. Peuvent alors émerger des phénomènes - localisation, Transition Métal-Isolant, Transition Supraconducteur-Isolant, systèmes fortement corrélés... - qui sont au cœur de la recherche actuelle en matière condensée. En particulier, la dimension 2 est la dimension critique inférieure pour l'existence de la supraconductivité et d'un état métallique. Il est donc particulièrement intéressant d'étudier les systèmes désordonnés au voisinage de cette dimension. Le présent travail vise à étudier les états fondamentaux possibles à 2D et les Transitions de Phase Quantiques (TPQ) entre ces états. Nous menons une étude approfondie de ces transitions sur un système modèle, le NbxSi1-x en couches ultra-minces, à très basse température (5 mK), afin de mesurer les lois d'échelle qui régissent les transitions et de sonder en détail les mécanismes mis en jeu lors des TPQ ainsi que la nature microscopique (fermionique ou bosonique) des phases en présence. Nous avons, en particulier, mené une étude détaillée sur les effets et la nature du désordre dans ces systèmes.

Le transport à très basse température dans des matériaux conducteurs désordonnés implique les phénomènes d'interférences quantiques, de répulsions coulombiennes, et le cas échéant de fluctuations supraconductrices. Deux (2D) étant la dimension critique inférieure pour l'existence des états métallique et supraconducteur, nous avons étudié deux transitions de phase quantiques - la Transition Supraconducteur-Isolant (TSI) et la Transition Métal-Isolant (TMI) - lorsque l'on diminue l'épaisseur d'un système désordonné, ici a-NbSi. La question sous-jacente est celle de l'articulation entre les différentes phases et les conditions d'apparition d'un éventuel état métallique à 2D. Nous avons étudié les TSI induites soit par un champ magnétique soit par le désordre. Les principales caractéristiques observées (renormalisation, rôle de l'orientation du champ) s'interprètent bien dans le cadre de la théorie de M.P.A. Fisher. Cependant nous ne trouvons pas une valeur universelle pour la résistance à la transition et les exposants critiques prévus par cette théorie. Concernant la TMI, nous avons diminué l'épaisseur d'un système métallique jusqu'à tendre vers 2D et l'état isolant. Dans ces deux transitions le passage vers l'isolant montre clairement l'existence d'états dissipatifs à température nulle non prévus par les théories conventionnelles. Nous proposons une interprétation de l'ensemble de nos résultats faisant intervenir une nouvelle phase à 2D entre les états supraconducteur et isolant - un métal de Bose - , prédite par des théories récentes. Nous traçons alors le diagramme de phase du système modèle NbSi en fonction de la concentration et de l'épaisseur des films.

Le transport à très basse température dans des matériaux conducteurs désordonnés implique les phénomènes d'interférences quantiques, de répulsions coulombiennes, et le cas échéant de fluctuations supraconductrices. Deux (2D) étant la dimension critique inférieure pour l'existence des états métallique et supraconducteur, nous avons étudié deux transitions de phase quantiques - la Transition Supraconducteur-Isolant (TSI) et la Transition Métal-Isolant (TMI) - lorsque l'on diminue l'épaisseur d'un système désordonné, ici a-NbSi. La question sous-jacente est celle de l'articulation entre les différentes phases et les conditions d'apparition d'un éventuel état métallique à 2D. Nous avons étudié les TSI induites soit par un champ magnétique soit par le désordre. Les principales caractéristiques observées (renormalisation, rôle de l'orientation du champ) s'interprètent bien dans le cadre de la théorie de M. P. A. Fisher. Cependant nous ne trouvons pas une valeur universelle pour la résistance à la transition et les exposants critiques prévus par cette théorie. Concernant la TMI, nous avons diminué l'épaisseur d'un système métallique jusqu'à tendre vers 2D et l'état isolant. Dans ces deux transitions le passage vers l'isolant montre clairement l'existence d'états dissipatifs à température nulle non prévus par les théories conventionnelles. Nous proposons une interprétation de l'ensemble de nos résultats faisant intervenir une nouvelle phase à 2D entre les états supraconducteur et isolant – un métal de Bose – , prédite par des théories récentes. Nous traçons alors le diagramme de phase du système modèle NbSi en fonction de la concentration et de l'épaisseur des films
Low temperature transport in disordered conducting materials imply quantum interference, Coulomb repulsion, and superconducting fluctuations. Since 2D is the lower critical dimension for the existence of metallic and superconducting states, we have studied two quantum phase transitions – the Superconductor-to-Insulator Transition (SIT) and the Metal-to-Insulator Transition (MIT) – when the thickness of a disordered system – here a-NbSi – is lowered. The underlying problem is the transition between the different states and the conditions for a 2D metal to exist. We have studied the field and disorder-induced SIT. The principal characteristics we have observed (renormalization, role of the field orientation) are well explained by M. P. A. Fisher's theory. However, we do not find the critical exponents values and a universal resistance at the transition as predicted by this theory. Concerning the MIT, we have decreased the thickness of a metallic system to reach the dimension 2 and an insulating state. In both transitions, the passage to the insulating state clearly shows the existence of dissipative states at zero temperature that are not predicted by conventional theories. We propose an interpretation of all our results that implies the existence of a novel phase in 2D, a Bose Metal, between the superconducting and the metallic states. This new state has been predicted by recent theories. We trace the corresponding phase diagram for the model system NbSi with respect to concentration and film thickness

La compréhension du rôle du désordre sur la supraconductivité reste un problème fondamental de la physique du solide. Ce sujet illustre la compétition entre les phénomènes de localisation par le désordre qui conduisent à des isolants et la formation de paires de Cooper qui conduit à une conductivité infinie. Ces effets prennent un caractère spectaculaire en dimension 2, dimension limite pour l'existence de l'état métallique ou de l'état supraconducteur. Généralement le système décrit une Transition directe Supraconducteur -- Isolant (TSI) qui a les caractéristiques d'une Transition de Phase Quantique, transitions définies à T=0 et provoquées par le franchissement d'une valeur critique par le paramètre moteur de la transition. Parmi ces paramètres (intrinsèques au système), on peut citer la densité d'états électroniques, le désordre microscopique et l'épaisseur. L'alliage Nb(x)Si(1-x) est un matériau particulièrement intéressant pour l'étude de cette TSI. Le matériau est amorphe et homogène jusqu'à des épaisseurs de 2,5 nm et des températures de recuit de 250°C et nous observons une TSI induite par la composition, le recuit et l'épaisseur, que nous avons étudiée par rapport aux théories fermionique (Finkel'stein) d'affaiblissement de la supraconductivité par le désordre et bosonique (Dirty Boson Model de Fisher) s'interprétant par la localisation des paires de Cooper. Ces expériences remettent en cause la possibilité de réduire la mesure du " désordre " par un unique paramètre tel que la résistance carrée ou le produit k_F l du vecteur d'onde de Fermi par le libre parcours moyen électronique. En particulier, elles soulignent l'effet spécifique de l'épaisseur. Par ailleurs, pour certaines valeurs des paramètres, nous observons une phase " métallique " qui apparaît à très basse température entre les phases supraconductrices et isolantes, contredisant les théories de la non-existence d'un métal à 2D. Nous avons montré que le diagramme de phase associé à ces échantillons pouvait s'interpréter en introduisant le concept de " métal de Bose", prédit par Das & Doniach. Le Nb(x)Si(1-x) est donc un système prometteur pour l'étude plus approfondie de ce nouvel état métallique.

La supraconductivité s'établit par une organisation collective des électrons, décrite dans le cadre de la théorie BCS par une même fonction d'onde macroscopique. En présence de fort désordre, la situation est plus complexe : le désordre induit un renforcement des interactions coulombiennes et une localisation des électrons, s'opposant à l'établissement de la supraconductivité. Pour un désordre critique, la supraconductivité est détruite et le système devient métallique ou isolant. A 2D, en l'absence de fortes interactions coulombiennes, la théorie de la localisation d'Anderson interdit l'existence d'un état métallique : le désordre induit une Transition Supraconducteur-Isolant (TSI). Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés de transport à très basse température de films minces amorphes de NbxSi1-x. Nous avons effectué des mesures de résistance à basse fréquence à travers la TSI et initié des mesures d'impédance complexe à hautes fréquences (quelques GHz), afin de sonder la dynamique du système à travers la TSI. L'étude du transport statique s'est focalisée sur l'évolution du NbxSi1-x avec le recuit. Ce paramètre induit une variation progressive du désordre microscopique de notre système, ce qui nous a permis d'étudier finement la TSI. Nous avons ainsi mis en évidence deux états dissipatifs, séparant les états supraconducteurs et isolants, et non-prédits par les théories actuelles. Par ailleurs, nous avons mis au point un dispositif de mesure de réflectométrie micro-onde large bande. Nous avons en particulier développé une méthode de calibration, utilisant non pas la mesure de références externes comme il est usuel, mais un ensemble d'hypothèses sur la réponse électrodynamique des échantillons. Cette méthode permet de s'affranchir de l'environnement micro-onde de ceux-ci. Les résultats obtenus permettent une première validation de cette démarche et constituent donc un premier pas vers la détermination de la réponse dynamique absolue du système à travers la TSI.

Les détecteurs de photons uniques aux fréquences visibles sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de la technologie quantique, tels que la distribution de clés quantiques ou l'optique quantique. Cependant, la réalisation de détecteurs de photons uniques micro-ondes continus et hautement efficaces reste un défi. Dans cette thèse, nous proposons et mettons en œuvre un détecteur de photons micro-ondes basé sur une jonction tunnel supraconductrice couplée à une cavité micro-ondes. Les photons incidents à la fréquence du résonateur sont absorbés par la jonction via un effet tunnel inélastique de quasiparticules, ce qui entraîne un courant tunnel photo-assisté mesurable. Pour augmenter le taux d'effet tunnel inélastique, le résonateur est fabriqué en aluminium granulaire, ce qui conduit à une impédance caractéristique du mode de l'ordre du quantum de résistance. En mesurant le courant dû aux processus d'ordre supérieur, nous calibrons le détecteur et estimons l'efficacité quantique à 0,83, un ordre de grandeur plus élevé que celui rapporté dans la littérature pour les détecteurs basés sur l'effet tunnel photo-assisté. En plus du courant photo-assisté, la puissance émise par l'échantillon est mesurée, et il est démontré que le même dispositif peut être utilisé pour refroidir efficacement un circuit supraconducteur. Nous discutons de la compatibilité du détecteur de photons mis en œuvre avec les techniques de comptage de charge nécessaires pour discerner les électrons individuels, tels que les RF-SET. Nous réalisons un RF-SET à l'aide d'un résonateur granulaire en aluminium à haute impédance, et nous montrons une forte absorption de photons pour des tensions de polarisation et de grille appropriées. En outre, nous mesurons la sensibilité à la charge de ce dispositif à un niveau aussi bas que 5e-5 e/sqrt(Hz). Ainsi, les expériences de ce travail montrent que la combinaison d'un transistor radiofréquence à électron unique avec un convertisseur photon-électron à haute efficacité basé sur l'effet tunnel inélastique pourrait conduire à un compteur de photons micro-ondes unique pratique
Single photon detectors at visible frequencies have been essential tools in many areas of quantum technology, such as quantum key distribution or quantum optics. However, realizing highly efficient continuous single microwave photon detectors remains challenging. In this thesis, we propose and implement a microwave photon detector based on a superconducting tunnel junction coupled to a microwave cavity. Incident photons at resonator frquency are absorbed by the junction via inelastic quasiparticle tunneling, resulting in measurable photo-assisted tunneling current. To increase the inealstic tunneling rate, the resonator is fabricated in granular aluminium, leading to the mode characteristic impedance on the order of quantum of resistance. By measuring the current due to higher order processes, we calibrate the detector and estimate the quantum efficiency to be 0.83 --- an order of magnitude higher than reported in literature for detectors based on photo-assisted tunneling. In addition to the photo-assisted current, the power emitted by the sample is measured, and it is shown that the same device could be utilized to effectively cool superconducting circuits. We discuss the compatibility of the implemented photon detector with charge counting techniques required for discerning individual electrons, such as RF-SETs. We realize an RF-SET using a high-impedance granular aluminum resonator, and show high photon absorption for suitable bias and gate voltages. Additionally, we measure the charge sensitivity of this device as low as 5e-5 e/sqrt(Hz). Thus, the experiments in this work show that combining a radio-frequency single-electron transistor with a high efficiency photon to electron converter based on inelastic tunneling could lead to a practical single microwave photon counter

L'avènement des supraconducteurs à haute température critique (SHTc) a non seulement bouleversé les notions fondamentales de la physique des solides, il a aussi provoqué une révolution dans la compréhension du comportement des lignes de flux magnétiques quantifiés qui traversent le matériau supraconducteur lorsqu'il est exposé à un champ magnétique. Grâce à la coincidence des valeurs extrèmes des paramètres caractérisant la supraconductivité dans les SHTc, les propriétés physiques des vortex, leur dynamique, et leur diagramme de phases dans le plan (B,T) ont pu être étudiés dans un détail jusque-là inaccessible. Il a ainsi été établi que la véritable transition de la phase supraconductrice vers la phase normale n'a pas lieu au deuxième champ critique Bc2, mais à la transition de fusion de l'ensemble des lignes de flux. Dans des matériaux supraconducteurs désordonnés, il apparaît une nouvelle phénoménologie, liée à l'ancrage des lignes de flux sur les défauts du matériau. De nouvelles phases thermodynamiques de vortex ancrés ont été postulés, et, dans certains cas, trouvées. Le but de ce document est de porter un regard critique sur le mécanisme menant à la transition de fusion de l'ensemble des vortex dans les SHTc, ainsi que sur le rôle du désordre cristallin dans la physique des lignes de flux. L'approche première est de, avant tout, caractériser au mieux les matériaux avec lesquels on travaillera par la suite. Cette caractérisation inclut non seulement la mesure des principaux paramètres de la supraconductivité: température critique, longueur de pénétration, champs critiques; mais aussi le contrôle de la pureté des matériaux et du désordre cristallin éventuel. Dans cette optique, le travail s'inscrit dans la mission du Laboratoire des Solides Irradiés, qui est d'accéder à la physique des matériaux en contrôlant le désordre par irradiation. On essaiera ensuite d'attaquer la transition de fusion par l'emploi d'une méthode originale, utilisable dans les SHTc lamellaires comme le Bi2Sr2CaCu2O8 : la Résonance de Plasma Josephson. Cette technique permettra d'évaluer les excursions thermiques moyennes des lignes de flux au voisinage de la transition, dans des cristaux bruts de croissance et irradiés. Le rôle du désordre cristallin est étudié également par une approche novatrice: c'est l'étude de la modification des propriétés thermodynamiques par le désordre, plutôt que les propriétés de transport. Enfin, on conclut sur comment ces approches peuvent nous aider à comprendre le diagramme de phases des lignes de flux dans des supraconducteurs désordonnés de manière contrôlée.

Cette thèse présente une étude associant des mesures de spectroscopie tunnel, de spectroscopie d'Andreev en mode point-contact et de transport électronique sur des échantillons supraconducteurs désordonnés d'oxyde d'indium. Les mesures de transport révèlent une divergence de la résistivité depuis la température ambiante court-circuitée par la supraconductivité à basse température. Ce comportement traduit la proximité des échantillons avec la transition métal-isolant d'Anderson. La spectroscopie tunnel met en évidence un état supraconducteur inhabituel présentant un régime de pseudogap au-dessus de la température critique. Celui-ci évolue à basse température en un système inhomogène composé de paires de Cooper supraconductrices et de paires de Cooper localisées par le désordre, sans cohérence de phase. La comparaison entre plusieurs échantillons montre que ces paires de Cooper incohérentes prolifèrent avec l'augmentation du désordre et indique ainsi que la transition supraconducteur-isolant dans l'oxyde d'indium est gouvernée par la localisation progressive des paires de Cooper. Par ailleurs, en utilisant notre STM, nous avons décrit continûment l'évolution de la conductance locale entre le régime tunnel et le régime de contact. La spectroscopie d'Andreev révèle une nouvelle échelle d'énergie liée à la cohérence de phase supraconductrice et indépendante des fluctuations spatiales de la densité d'états mesurées en régime tunnel. Ceci montre que le désordre provoque une dichotomie entre l'énergie de liaison caractérisant l'appariement électronique et l'énergie de cohérence propre à l'état supraconducteur macroscopique
This thesis presents a study combining tunneling spectroscopy, point-contact Andreev spectroscopy and electronic transport on disordered superconducting indium oxide samples. Transport measurements reveal a diverging resistivity from room temperature shortcut by superconductivity at low temperature. This behavior shows that our samples are in the vicinity of the metal-insulator Anderson transition. Tunneling spectroscopy highlights a rather unusual superconducting state with a pseudogap regime above the critical temperature. It evolves at low temperature into an inhomogeneous system composed of both superconducting Cooper pairs and Cooper pairs without phase coherence, localized by the disorder. Comparison between different samples shows that incoherent Cooper pairs proliferate with increasing level of disorder, what indicates that superconductor-insulator transition in indium oxide is governed by the progressive localization of Cooper pairs. Besides, using our STM, we have continuously analyzed the local conductance between tunneling regime and contact regime. Andreev spectroscopy thus reveals a new energy scale related to the superconducting phase coherence and independent from spatial fluctuations of the density of states measured in tunneling regime. This shows that disorder induces a dichotomy between the pairing energy characterizing the binding of electrons into pairs and the coherence energy specific to macroscopic superconductivity