QUASIPARTICLES IN A DIFFUSIVE CONDUCTOR:
INTERACTION AND PAIRING
QUASIPARTICULES DANS UN CONDUCTEUR DIFFUSIF:
INTERACTION ET APPARIEMENT
Résumé
The first part of the thesis is concerned with quasiparticle-quasiparticle interaction in diffusive films, that is films with an elastic mean free path much smaller than the film dimensions. In such films, the interaction is expected to be greater than in perfect metals, which are described by the Landau theory of Fermi liquids. We have measured at low temperature the energy distribution function in several diffusive mesoscopic wires (a few micrometers long), placed out-of-equilibrium. Depending on the ratio between the diffusion time across the wire and the interaction time, the distribution function is typical of a non-interacting regime, a strongly thermalized regime, or an intermediate regime. From the intermediate regime one can infer the energy dependence of the modulus of the interaction.
The second part of the thesis is concerned with the proximity effect, that is the penetration in a non-superconducting (normal N) metal of superconducting (S) order, characterized by pair correlations between quasiparticles. The penetration of pair correlations in the normal metal modifies its density of states (DOS). We have measured this DOS at several distances from the interface with a superconductor: 100 nm away, the DOS at the Fermi energy is reduced by a factor two. The modification of the DOS persists as far as one micrometer into the normal metal.
The subgap or Andreev current through a NS interface is another property which depends on the pair correlations induced in the normal metal. This current, which is due to the coherent passage of two electrons from the N metal into the S, is enhanced by confinement of the quasiparticle trajectories near the NS interface. In order to demonstrate the interferential origin of this enhancement, we have implemented an « NS-QUID », made of a superconducting fork, closed by a normal mesoscopic wire. The interference pattern corresponds to the current through the device, which is modulated by a perpendicular magnetic field.
The second part of the thesis is concerned with the proximity effect, that is the penetration in a non-superconducting (normal N) metal of superconducting (S) order, characterized by pair correlations between quasiparticles. The penetration of pair correlations in the normal metal modifies its density of states (DOS). We have measured this DOS at several distances from the interface with a superconductor: 100 nm away, the DOS at the Fermi energy is reduced by a factor two. The modification of the DOS persists as far as one micrometer into the normal metal.
The subgap or Andreev current through a NS interface is another property which depends on the pair correlations induced in the normal metal. This current, which is due to the coherent passage of two electrons from the N metal into the S, is enhanced by confinement of the quasiparticle trajectories near the NS interface. In order to demonstrate the interferential origin of this enhancement, we have implemented an « NS-QUID », made of a superconducting fork, closed by a normal mesoscopic wire. The interference pattern corresponds to the current through the device, which is modulated by a perpendicular magnetic field.
Dans la première partie de la thèse, on considère l'interaction entre les quasiparticules d'un film diffusif, c'est-à-dire un film dans lequel le libre parcours élastique est très inférieur aux dimensions du film. Les interactions sont sensées y être plus importantes que dans un métal parfait, décrit par la théorie du liquide de Fermi. Nous avons mesuré à basse température la fonction de distribution en énergie de plusieurs fils diffusifs mésoscopiques (longueur de l'ordre du micromètre) hors d'équilibre. Selon le rapport entre le temps de diffusion à travers le fil et le temps typique d'interaction entre quasiparticules, nous avons observé un régime proche du régime sans interactions, un régime d'interactions fortes, et un régime intermédiaire. Du régime intermédiaire on déduit la dépendance en énergie du module de l'interaction.
La deuxième partie est consacrée à l'effet de proximité, c'est-à-dire la pénétration dans un métal non supraconducteur (normal, N) de l'ordre supraconducteur (S), caractérisé par l'appariement entre quasiparticules. L'ordre induit modifie la densité d'états du métal N, que nous avons mesurée en fonction de la distance au contact NS. A une distance de 100 nm, la densité d'états au niveau de Fermi est diminuée de moitié. La modification de la densité d'états subsiste jusqu'à une distance de l'ordre du micron.
De même, le courant à travers une interface NS pour des tensions inférieures au gap du S (courant d'Andreev) dépend de l'appariement induit dans le métal N. Ce courant, dû au passage cohérent de deux électrons du métal N dans le S, est amplifié par le confinement des trajectoires électroniques près de l'interface. Pour démontrer la nature interférentielle de cette amplification, nous avons fabriqué un « NS-QUID », constitué par une fourche supraconductrice fermée par un fil normal. La figure d'interférence est constituée par le courant, qui est modulé par un champ magnétique appliqué perpendiculairement à l'échantillon.
La deuxième partie est consacrée à l'effet de proximité, c'est-à-dire la pénétration dans un métal non supraconducteur (normal, N) de l'ordre supraconducteur (S), caractérisé par l'appariement entre quasiparticules. L'ordre induit modifie la densité d'états du métal N, que nous avons mesurée en fonction de la distance au contact NS. A une distance de 100 nm, la densité d'états au niveau de Fermi est diminuée de moitié. La modification de la densité d'états subsiste jusqu'à une distance de l'ordre du micron.
De même, le courant à travers une interface NS pour des tensions inférieures au gap du S (courant d'Andreev) dépend de l'appariement induit dans le métal N. Ce courant, dû au passage cohérent de deux électrons du métal N dans le S, est amplifié par le confinement des trajectoires électroniques près de l'interface. Pour démontrer la nature interférentielle de cette amplification, nous avons fabriqué un « NS-QUID », constitué par une fourche supraconductrice fermée par un fil normal. La figure d'interférence est constituée par le courant, qui est modulé par un champ magnétique appliqué perpendiculairement à l'échantillon.