Systèmes bidimensionnels désordonnés : états fondamentaux – POSTIT

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.
Ce projet vise à étudier les états fondamentaux possibles à 2D et les Transitions de Phase Quantiques (TPQ) entre ces états. Ce sont des transitions de phase continues, à T=0, et induites par le changement d’un paramètre –tel que le désordre ou le champ magnétique– dans l’Hamiltonien du système. L’état fondamental est alors modifié.
Nous explorerons cette problématique en partant d’un supraconducteur désordonné, 2D, homogène, pour lequel l’accroissement du désordre, l’application d’un champ magnétique ou électrique peut détruire l’état fondamental. Ces dernières années, beaucoup d’efforts, expérimentaux et théoriques, ont été développés pour comprendre cette transition (ses mécanismes, sa classe d’universalité, …) et la nature de l’état fondamental au-delà de la supraconductivité (métallique ou isolant, fermionique ou bosonique). Ce dernier point est d’importance puisqu’un état désordonné métallique a longtemps été considéré comme impossible à 2D, du fait des forts effets du désordre. Cependant, les résultats publiés à ce jour sont extrêmement dépendants du système étudié, et la faiblesse de la plupart des recherches dans ce domaine est due au manque d’études systématiques.
Pour la première fois, nous approcherons ce problème en étudiant un même matériau –des films minces de NbxSi1-x amorphes (typiquement 8%<x<19%)– avec des techniques expérimentales originales et complémentaires. Ce système présente de nombreux avantages comparativement à d’autres: 1. il a été identifié comme étant un système désordonné homogène modèle; 2. des résultats préliminaires ont montré qu’il serait très prometteur pour étudier un possible état métallique à 2D; 3. la possibilité de modifier sa composition x et sa température de recuit permet d’avoir des paramètres supplémentaires d’ajustement expérimental; 4. enfin, les épaisseurs d’intérêt pour l’étude des TPQ sont de l’ordre de 10nm, les films sont alors continus.<br />Nous désirons répondre à trois questions:1.le diagramme de phase du a-NbSi et la nature de ces phases;2.les caractéristiques des TPQ entre les états fondamentaux;3.les mécanismes moteur des transitions. Nous avons pour cela choisi des méthodes expérimentales complémentaires:a.des mesures de magnéto-résistance à basse température permettront d’établir le diagramme de phase et la nature des états fondamentaux;b.des mesures de conductivité AC sonderont la nature des phases;c.la spectroscopie tunnel renseignera sur le rôle important des fluctuations dans ces TPQ et caractérisera la phase supraconductrice;d.des mesures d’effet de champ électrique détermineront l’importance des interactions coulombiennes. Disposer de plusieurs outils pour sonder les mêmes phénomènes est un des principaux atouts de ce projet et donnera à la fois des informations complémentaires et une redondance nécessaire.
Soulignons que ce projet représente le groupement de trois partenaires, parmi lesquels deux sont déjà des acteurs reconnus dans ce domaine. Nous pensons que le moment est opportun pour cet effort concerté qui remplit toutes les conditions pour engendrer une avancée de la compréhension des systèmes désordonnés.