Impuretés magnétiques dans les supraconducteurs: de l'atome au réseau d'impuretés – MISTRAL

Nous avons étudié des cristaux supraconducteurs à structure lamellaire donnant à la structure électronique un comportement quasi- bidimensionnel . La croissance de ces monocristaux a été obtenue en ajoutant un petit pourcentage d'impuretés de fer conduisant à des impuretés magnétiques réparties de façon homogène dans l'échantillon. En déplaçant la pointe du microscope sur l'échantillon , nous avons pu mesurer la dépendance spatiale du courant tunnel et reconstruire la distribution des états électroniques et donc l'image de la structure de l'Etat lié de Yu - Shiba - Rusinov . Les résultats obtenus par microscopie à effet tunnel sont comparés avec les calculs numériques théoriques en terme de l'extension spatiale de la fonction d'onde, de sa nature oscillante et de sa structure en forme d'étoile .

Au cours des 18 premiers mois de cette ANR, nous avons revisité en détail l'interaction entre un atome magnétique unique encapsulé dans une matrice supraconductrice (ici NbSe2) en prêtan attention à la dépendance spatiale et l'extension des états liés de Shiba qui ont été caractérisés par spectroscopie tunnel. Une telle cartographie de l'espace réel des états liés de Shiba est un aspect important de nos résultats récents. Nous avons été en mesure de l'atteindre grâce à notre préparation soigneuse de l'échantillon et la haute résolution spatiale de notre cartographie de la densité locale d'états autour des impuretés magnétiques. En analysant les différentes impuretés magnétiques dans le supraconducteur NbSe2, nous avons constaté que l'extension spatiale des états Shiba est beaucoup plus grande que celle rapportée dans les très peu de travaux publiés antérieurement. Au lieu de cet aspect, nous avons expérimentalement constaté que l'étendue spatiale peut être de l'ordre de 10 nm qui est 20 fois plus grande que l'étendue spatiale trouvée plus tôt. En résolvant directement numériquement les équations auto-cohérentes pour un hamiltonien de bande arbitraire (nous avons utilisé un Hamiltonian en liaison forte offrant une description fidèle de la structure de bande de NbSe2), nous avons rétrouvé la structure typique de la forme en étoile observée expérimentalement ainsi que l'étendue spatiale mesurée. Plus important encore, en prenant une description à la limite continue des équations de Shiba qui permet d'extraire analytiquement les deux échelles de longueurs de mise en forme de la densité locale d'états autour de l'impureté, nous avons été en mesure de montrer sans ambiguïté que cette grande étendue spatiale est due au caractère 2D ldu supraconducteur en couche.

Nous voulons maintenant étendre cette analyse aux clusters magnétiques dans les supraconducteurs 2D .

Gerbold C. Ménard, Sébastien Guissart, Christophe Brun, Stéphane Pons, Vasily S. Stolyarov, François Debontridder, Matthieu V. Leclerc, Etienne Janod, Laurent Cario, Dimitri Roditchev, Pascal Simon, Tristan Cren, Nature Physics 11,1013–1016 (2015).

Un spin classique plongé dans un supraconducteur induit des états liés dits de Shiba à l’intérieur du gap supraconducteur. Une concentration finie d'impuretés magnétiques peut ainsi former une bande d'impureté à partir du recouvrement entre les états de Shiba. Il a récemment été prédit qu'une chaîne d'impuretés magnétiques à la surface d'un supraconducteur peut réaliser un supraconducteur topologique unidimensionnel hébergeant des états de Majorana à ses extrémités. L'objectif principal de cette proposition est de fournir une étude systématique à la fois expérimentale et théorique d'un tel système complexe. Nous prévoyons de développer une meilleure compréhension de l'interaction entre un atome magnétique unique et un supraconducteur. Une attention particulière sera accordée à la dépendance spatiale des états liés et à leur signature spectrale mesurée par spectroscopie tunnel. Nous aborderons ensuite la question cruciale de l'interaction magnétique entre deux impuretés séparées par une distance r avant d'aller vers la limite de réseaux ordonnés d'impuretés magnétiques.