Superconducting proximity effect in graphene and Bi nanowire based junctions

par Chuan Li

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Sophie Guéron.

Soutenue le 26-11-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Physique de la Région Parisienne (....-2013) , en partenariat avec Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Pascal Simon.

Le jury était composé de Sophie Guéron, Pascal Simon, Christoph Strunk, Claude Chapelier, Alexander Brinkman, Kamran Behnia.

Les rapporteurs étaient Christoph Strunk, Claude Chapelier.

  • Titre traduit

    L’effet de proximité supraconducteur dans les jonctions de graphène et nanofils de Bismuth


  • Résumé

    Au cours de cette thèse, on étudie les systèmes différents : graphène (une monocouche de carbone), graphène fonctionnalisé et les nanofils de Bismuth en induisant la supraconductivité par l’effet proximité. On montre que l’effet proximité fonctionne comme un probe sensible pour les effets des interactions, de couplage spin-orbite, etc.La structure de band de graphène a une relation dispersion linéaire au niveau de Fermi, et le band de conductance et le band de valence est lié aux six points dans l’espace réciproque, appelé le point Dirac. Autour du point Dirac, graphène occupe d’une densité d’état faible (par rapport aux métaux). Alors le niveau de Fermi dans graphene est modulable. On fabrique les jonctions S/Graphene/S avec les contacts de matériaux différents (Al, ReW, Nb). En comparant avec la théorie, on a complété le diagramme du produit R_N I_c (R_N la résistance d’état normal, I_c le courant critique dans une jonction) vs l’énergie Thouless E_Th (une énergie caractéristique intervient dans la jonction SNS longue et dépend la partie normale). Une réduction de R_N I_c globale de la jonction courte à la jonction longue, surtout dans la limite de la jonction longue, la réduction est 10 fois plus grande que celle de la jonction courte. On l’explique par une réduction d’une énergie Thouless effective à cause l’interface S/G imparfaite. Une suppression du supercourant près du point Dirac dans les jonctions longues est considérée comme une signature de la réflexion Andreev spéculaire sur les « puddles » dans le graphène. Aussi, l’injection des paires de Cooper dans les états de bord de l’effet Hall quantique du graphène est étudiée dans cette thèse.L’interaction du couplage spin-orbite et l’effet proximité peut produire les physiques très intéressantes comme le supra de triplet, jonction π, et récemment la formation des Fermions majoranas. Motivé par ces possibilités d’explorer les nouvelles physiques, on a essayé d’induire le couplage spin-orbite dans graphène dans lequel ce couplage est initialement très faible. En greffant les molécules de Pt-porphyrines, qui tiennent un atome de Pt au milieu, on espère que le couplage spin-orbite fort dans l’atome de Pt peut « diffuser » dans le graphène. Au lieu d’avoir vu le couplage spin-orbite, on a plutôt découvert un magnétisme qui dépend la grille dans le graphène induit par les molécules. Plusieurs échantillons avec les contacts normaux ou supraconducteurs sont mesurés avant et après mettant les molécules. Un transfert de charge dans deux sens (électron ou trou) est observé à la température ambiante. Il est lié à l’alignement des niveaux de Fermi des molécules et le graphène. A basse température (~70mK), les hystérésis dans la magnétorésistance (MR) et une asymétrie en B_(//) et B_⊥ impliquent un magnétisme dans graphène. Plus spectaculaire, une asymétrie en la dépendance de la grille du supercurrent est détectée. Bismuth est un élément très lourd et un matériau avec le couplage Rashba spin-orbite fort. On a connecté les nanofils de Bismuth avec tungstène (H_c∼12T) électrodes par FIB (Focused Ions Beam) et induit l’effet proximité dans les fils. Les résultats les plus étonnants sont : (1) le supercourant se tient au champ magnétique jusqu’à 11 Tesla. (2) Il y a des oscillations dans le courant critique en fonction du champ avec une période de centaine gauss qui ressemble à celui d’une structure de SQUID (composé des deux jonctions Josephson en parallèles. (3) Sur ces oscillations, nous trouvons aussi une modulation quasi-périodique lente de quelque milles gauss. Pour expliquer tous ces phénomènes, nous proposons qu’il y a quelques canaux étroites balistiques 1D se forment aux bords des certaines surfaces qui se tiennent au champ jusqu’à 11T et se construisent une interférence entre eux. L’effet Zeeman cause une modulation de phase entre les quasi-particules dans une paire d’Andreev qui module donc le supercourant en échelle de quelques milles gauss.


  • Résumé

    In this thesis we investigated graphene and Bi nanowire systems by inducing superconducting proximity effect in them. Typically the samples are realized in the form of S/N/S junction. The special properties of these systems are revealed by observing some unusual proximity effect in them. The interplay of the superconducting proximity effect and other effects (spin-orbit coupling, Zeeman effect, quantum Hall effect, impurities, etc...) at the mesoscopic scale gives rise to new physics. Some of our main results are listed below.GrapheneWe succeeded to induce superconducting proximity effect in the very long junction limit, thus completing the diagram of the superconducting proximity effect in graphene. Since by changing the gate voltage, one changes the carrier density in graphene and eventually the transport characteristic quantities (l_e, E_Th etc...). We could scan a whole range of Thouless energy. We present a diagram of eR_N I_c vs Thouless energy compared to theoretical prediction. The Thouless energy dependence of the eR_N I_c products varies from the long junction limit to the short junction limit. The discrepancy (mainly due to the imperfect S/G interface) between theory and experiment is also limit dependent: in the short junction limit, the eR_N I_c products are smaller than the theoretical prediction (with a perfect interface) by a factor of about 3-4; in the long junction limit, however, the disagreement is increased to about 100. We show that the factor deduced from the junctions in different limits is length dependent. This can be explained by the effect of finite transmission at the S/G interface in both the critical current I_c and the induced mini-gap in the graphene. In another hand, a suppression of supercurrent near the Dirac point is observed in long junctions which is attributed to the indication of the specular Andreev reflection upon the puddles in graphene. Also the injection of the Cooper pairs into the QHE edge states is investigated in this thesis.Graphene grafted with Pt-porphyrinsBy grafting the Pt-porphyrins onto graphene, we observed a charge transfer between molecules and the graphene both for electrons and holes. One of the important consequences of the charge transfer is that when the molecules are ionized, a collective magnetic order can be formed by the long range RKKY interaction: the magnetic moments interact via the carrier in graphene. This effect is detected by a hysteretic magnetoresistance of the graphene in a perpendicular field and the asymmetric magnetoresistance in parallel field. Even more striking, the observation of a unipolar supercurrent in S/G/S junction implies that this magnetism induced by porphyrins is gate dependent. The theoretical calculations by Uchoa et al. using the Anderson model indeed find that the gate voltage should tune the impurities in graphene between non-magnetic state and magnetic state.Bi nanowireThe observation of a SQUID-like oscillations persisting up to 10 T and thousands Gauss range modulation in I_c hints to a complex physic in the W-Bi nanowire-W junctions. The results are consistent with a SQUID structure consisting of 2 edges channels which could have an I_c oscillation with period defined by the area between the two edges, typically the size of the nanowire. The origin of the edge states formation is attributed to the strong spin-orbit coupling in Bi that leads to the quantum spin Hall (QSH) state. The thousands Gauss range modulation is the consequence of the interplay between the Zeeman effect and the proximity effect. The phase accumulation in an Andreev quasiparticle pair is Δϕ=g_eff⋅μ_B⋅B_(//) (ℏv_F/L) which is of the order of few thousands Gauss. In one particular sample, a full modulation of the critical current with about 1 T range is observed. This is similar to the proximity effect in S/F/S junctions which suggests a 0-π junction transition.


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