Quantum coherence in superconductor – normal metal systems studied by scanning tunnelling microscopy and spectroscopy
Etude de la coherence quantique dans les systemes supraconducteur - metal normal par microscopie et spectroscopie a effet tunnel
Résumé
When a normal metal (N) is in electrical contact with a superconductor (S), it acquires superconducting properties close to its interface : a phenomen known as "the proximity effect". The objective of the present thesis was to study quantum phase coherence in N by scanning tunelling microscopy and spectroscopy (STMS) at 1.6 K and 50 mK. The advantage of the experimental method is that it allows a simultaneous visualisation of the topography of the [S-N] system and its local electronic properties with outstanding spatial and energy resolution. The proximity effect has previously been experimentaly studied for cases where the size of the [S-N] system could be considered to be infinite. In the diffusive limit, the local density of states shows a pseudo-gap in N which continuously vanishes as the probe is moved further from the SN interface. However, when the typical dimensions of N are smaller than the coherence length, a mini-gap related to the Thouless energy is predicted, implying the presence of superconduting correlations in the whole volume of N. In the ballistic regime, similar conclusions apply depending on the integrable (pseudo-gap) or chaotic (minigap) dynamics of the metallic structure in contact with the superconductor. To experimentaly observe such effects with the STM, we used electronic lithography to make samples where normal metal islands of mesoscopic sizes and different geometries are close to a superconductor. We sometimes observed sharp singularities in the local differential tunnel conductance spectra. We believe they are consequences of Andreev bound states, implying the existence of semi-classical electronic trajectories which satisfy the De Gennes St James quantification condition. In the scope of this thesis, we also caught the opportunity to study the electronic properties of thin disordered sperconducting films of titanium nitride. As their thickness is getting smaller, the reduction of electron effective attraction potential together with localization effects give rise to a superconductor insulator transition, observed by magneto-transport measurements. Thanks to STMS studies, spectroscopic measurements combined with topographic images revealed the co-existence of superconducting and normal metallic domains as well as an atypical evolution of the densiy of states at the SN boundary. Thus, this material shows inhomogeneous superconducting properties which are believed to play a crucial role in the S.I.T. mechanisms.
Lorsqu'un supraconducteur (S) est mis en contact électrique avec un métal normal (N), il transfert à ce dernier des propriétés supraconductrices sur une faible épaisseur : ce phénomène s'appelle "l'effet de proximité". L'objectif de cette thèse consiste à étudier la cohérence quantique dans N à travers ce phénomène grâce à un microscope à effet tunnel (STM) fonctionnant à 1.6 K et 50 mK. L'avantage de cette méthode expérimentale est d'être en mesure d'observer l'échantillon et de déterminer ses propriétés électroniques locales simultanément avec une grande résolution spatiale et énergétique. L'effet de proximité a déjà été observé expérimentalement dans le cas où les dimensions du métal normal et du supraconducteur peuvent être considérés comme infinies. En régime diffusif, la densité d'états locale présente un pseudo-gap dans N qui se referme à mesure que l'on s'éloigne de l'interface [S-N]. Cependant, si les dimensions de N sont plus petites que la longueur de cohérence de phase, un mini-gap relié à l'énergie de Thouless se développe, traduisant l'établissement des propriétés supraconductrices dans tout le volume du métal normal. En régime balistique, des conclusions similaires s'appliquent selon le caractère intégrable (pseudo-gap) ou chaotique (mini-gap) des structures métalliques en contact avec le supraconducteur. Afin d'observer expérimentalement ces effets, nous avons fabriqué par lithographie électronique des échantillons où des motifs de métal normal, de taille mésoscopique et de différentes géométries, sont présents à proximité d'un supraconducteur. Nous avons mis en évidence des pics très fins dans les spectres de la conductance tunnel différentielle locale. Nous pensons qu'ils révèlent la présence d'états résonnants d'Andreev, impliquant l'existence de trajectoires électroniques semi-classiques satisfaisant la relation de quantification de De Gennes-St James. Dans le cadre de cette thèse, nous avons aussi saisi l'opportunité d'étudier les propriétés électroniques des films supraconducteurs désordonnés de nitrure de titane. A mesure que l'épaisseur des films est réduite, la diminution du potentiel effectif d'attraction des électrons et les effets de localisation donnent lieu à une transition supraconducteur-isolant (T.S.I.), observée par des études de magnéto-transport. Grâce au STM, la détermination de la densité d'états locale sur ces mêmes films a permis de révéler la co-existence de domaines supraconducteurs et normaux ainsi qu'une évolution spatiale des mesures spectroscopiques très inhabituelle. Ce matériau présente donc des propriétés supraconductrices inhomogènes pouvant jouer un rôle important dans les mécanismes de la T.S.I.
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