Tunneling spectroscopy of the Andreev Bound States in a Carbon Nanotube

Spectroscopie tunnel des Etats Liés d'Andreev dans un Nanotube de Carbone

Jean-Damien Pillet (1)

1 QUANTRONICS - Quantronics Group

Superconductivity is a fascinating electronic order in which electrons pair up due to an attractive interaction and condense in a macroscopic quantum state that can carry dissipationless currents, i.e. supercurrents. In hybrid structures where superconductors (S) are put in contact with non-superconducting material (X), electronic pairs propagating from the superconductor "contaminate" the nonsuperconducting material conferring it superconducting-like properties close to the interface, among which the ability to carry supercurrent. This "contamination", known as the superconducting proximity effect is a truly generic phenomenon. The transmission of a supercurrent through any S-X-S structure is explained by the constructive interference of pairs of electrons traversing X. Indeed, much as in an optical Fabry-Perot resonator, such constructive interference of electronic pairs occurs only for special resonant electronic states in X, known as the Andreev Bound States (ABS). In the recent years it has been possible to fabricate a variety of nanostructures in which X could be for instance nanowires, carbon nanotubes or even molecules. Such devices have in common that their X contains only few conduction electrons which implies that ABS are also in small number. In this case, if one wants to quantitatively understand proximity effect in these systems, it is necessary to understand in detail how individual ABS form. This can be seen as a central question in the development of nanoscale superconducting electronics. In this thesis, we observed individual ABS by tunneling spectroscopy in a carbon nanotube.

La supraconductivité est un ordre électronique fascinant dans lequel les électrons s'apparient par le biais d'une interaction attractive et condensent dans un état quantique macroscopique pouvant porter un courant non dissipatif, i. E. Un supercourant. Dans les structures hybrides où des supraconducteurs (S) sont mis en contact avec des matériaux non supraconducteurs (X), les paires se propageant de S " contaminent " X lui conférant des propriétés supraconductrices à proximité de l'interface, parmi lesquels la possibilité de porter un supercourant. La transmission d'un supercourant à travers n'importe quelle structure S-X-S s'explique par l'interférence constructive de paires d'électrons traversant X. En effet, à la manière d'un résonateur Fabry-Perot, une telle interférence a seulement lieu pour certains états électroniques résonants appelés Etats Liés d'Andreev (ELA). Récemment, il est devenu possible de fabriquer une variété de nanostructures dans lesquelles X peut être par exemple un nanofil, un nanotube de carbone ou même une molécule. Ces dispositifs ont en commun que leur X contient seulement quelques électrons de conduction ce qui implique que les ELA sont aussi en petit nombre. Dans ce cas, pour comprendre quantitativement l'effet de proximité dans ces systèmes, il est nécessaire de comprendre en détail la formation des ELA individuellement. Ceci peut être vu comme la question centrale du développement d'électronique supraconductrice à l'échelle nanométrique. Dans cette thèse, nous avons observé des ELA résolus individuellement par spectroscopie tunnel dans un nanotube de carbone.

Mots clés: Andreev Bound states; Carbon Nanotubes CNT; Tunnel spectroscopy; Superconductivity; Superconducting proximity effect

Mots clés: Etats Liés d'Andreev; Nanotube de Carbone; Spectroscopie tunnel; Supraconductivité; Effet de proximité supraconducteur

Domaines: Systèmes mésoscopiques et effet Hall quantique [cond-mat.mes-hall]

Jean-Damien Pillet. Tunneling spectroscopy of the Andreev Bound States in a Carbon Nanotube. Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect [cond-mat.mes-hall]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00833472⟩