Supraconductivité dans les semi-conducteurs dopés : Diamant et systèmes voisins – SUPRADIAM

B-1 Objectifs et contexte : - - La prédiction théorique [1] et l'observation de la supraconductivité de plusieurs semi-conducteurs dégénérés [2] (avec des Tc inférieurs à 0.5K) constitua dans les années 60 une validation importante de la théorie BCS et du modèle de couplage électron - phonon. Malgré cela, l'annonce de l'observation expérimentale de la supraconductivité du diamant fortement dopé au bore a surpris en avril 2004 [3] tant la communauté scientifique étudiant le diamant que celle qui se consacre à l'étude des matériaux supraconducteurs. Un certain nombre de calculs théoriques ont aussitôt été proposés et ont reproduit, le plus souvent à partir d'ingrédients classiques, l'essentiel d'un résultat qu'ils n'avaient pourtant pas su prédire. Ce succès paradoxal nous amène à poser quelques questions naïves : - - A-t-on, grâce à ces calculs, déjà identifié de façon précise l'origine de la supraconductivité dans ce système ? Quelle serait la valeur prédictive de ce type de calculs pour d'autres matériaux semi-conducteurs dopés ? - Quelle sera l'influence de la faible densité de porteurs sur les propriétés supraconductrices de ce système ? - - Avant de voir comment ces questions orientent le présent projet, il convient de faire un rapide point sur les résultats acquis un an après l'article séminal d'Ekimov et al [3]. Il est désormais bien établi que le diamant devient un supraconducteur de type II lorsqu'il est suffisamment dopé au bore. Sa température critique Tc est alors de l'ordre de quelques degrés K, qu'il soit polycristallin [3,4] ou sous forme de couches minces monocristallines [5,6]. La transition supraconductrice a été observée par des mesures de transport, de susceptibilité a.c., d'aimantation et , d'une façon moins claire, par chaleur spécifique. - Tc diminue sous pression [3] mais augmente avec la concentration en bore jusqu'à atteindre environ 11K lorsque la croissance se fait selon l'axe [111] suggérant ainsi que Tc pourrait aussi dépendre de l'orientation cristallographique de l'épitaxie [6]. Dans tous les cas, des diagrammes H-T ont été établis [3-6], la valeur du champ critique extrapolé Hc2(0) variant entre 15 et 1.5T permettant d'estimer des longueurs de cohérence de Ginzburg - Landau comprises entre 5 et 15 nm environ. Des résultats de spectroscopie infrarouge obtenus antérieurement [7] sur des échantillons qui se sont avérés depuis être supraconducteurs, indiquent que le libre parcours moyen des trous est environ 5 fois plus faible que la longueur de cohérence, ce qui correspondrait plutôt au cas de la limite dite « sale » de la supraconductivité. - Enfin, la spectroscopie de rayons X d'échantillons polycristallins en couches minces semble indiquer le renforcement d'un pic de densité d'état supplémentaire dans la bande de valence [8] pour l'échantillon supraconducteur. Ces résultats soulèvent néanmoins de nombreuses questions telles que le rôle éventuel des fautes d'empilement, des joints de grains ou d'inclusions amorphes. De plus, l'environnement local du bore ou le rôle éventuel de l'hydrogène restent à déterminer. Enfin de nombreux paramètres de la supraconductivité (longueur de pénétration, symétrie du paramètre d'ordre, structure et dynamique des vortex) n'ont toujours pas été mesurés. - D'un point de vue théorique , c'est dans ce cadre d'un mécanisme d'appariement par phonon que plusieurs calculs ont été proposés [9-13]. Ces calculs insistent sur le fort couplage entre les orbitales  dérivées des liaisons sp3 du diamant et les phonons de centre de zone. Ce couplage est similaire a celui observé dans le composé MgB2 pour lequel une température critique anormalement haute (de l'ordre de 40K) a été mise en évidence en 2001. En effet, dans ce dernier, le caractère bidimensionnel (sp2) des orbitales conduit à un renforcement de la densité d'état au niveau de Fermi et de fait à une Tc bien plus forte que dans le diamant [9-11]. Dans ce dernier, le couplage se renforcerait néanmoins en