Etude magnétiques locales des supraconducteurs exotiques

par Zuzana Medvecka

Projet de thèse en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de Thierry Klein et de Zuzana Vargaestokova.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Université Pavol Jozef Šafárik à Košice , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) et de Matière Condensée, Matériaux et Fonctions (equipe de recherche) depuis le 03-11-2014 .


  • Résumé

    La supraconductivité a été découverte en 1911 et depuis lors, les scientifiques ont tenté de comprendre le mécanisme de base qui se cache derrière ce phénomène. la théorie BCS classique suppose que la supraconductivité résulte de l'appariement des électrons de conduction par l'intermédiaire des phonons. Dans les années 1980, il a été suggéré que d'autres fluctuations (par exemple associées à l'existence d'un ordre de charge) pourraient également donner lieu à la supraconductivité. La température de transition Tc dans les supraconducteurs classiques est limitée par la force de l'interaction électron-phonon et peut difficilement dépasser 30 - 40 K. Cette limite pourrait être levée dans le cas d'un appariement excitonique, ouvrant la voie à la supraconductivité à température ambiante [Ginzburg, VL, Sov. Phys. JETP 20, 1549, (1965)]. Le mécanisme de supraconducteur excitonique est prévu dans les systèmes à ordre de charge. Généralement, les composés alliant différents ordres en compétition sont très intéressants à étudier posent des questions actuellement au coeur de la recherche en matière condensée. Un de ces systèmes est TiSe2. Il montre un ordre de charge (CDW) à pression ambiante. Il a été constaté qu'il devient supraconducteur par intercalation de cuivre entre les couches TiSe2 tandis que l'état CDW est progressivement supprimée. La température critique de transition supraconductrice atteint une valeur maximale pour une concentration en cuivre de l'ordre de 0,08. Peu de temps après la découverte de la supraconductivité dans TiSe2 la question de l'interaction de deux ordres (la supraconductivité et la densité de charge) a été posé. Le groupe de Zaberchik et al. [Zaberchik et al., Phys. Rev. B 81, 220505 (R) (2010)] a interprété ses résultats comme une preuve de la forte influence de CDW sur la supraconductivité. Des expériences de chaleur spécifique et de microscopie à effet tunnel ont été effectuées à Košice afin d'appréhender l'influence des différents paramètres de ce système. De façon surprenante et en contradiction avec les conclusions ci-dessus de Zaberchik et al. ces mesures ont montré aucune influence notable sur la supraconductivité de l'ordre de charge. toutes ces mesures ont pu être bien décrites par la théorie BCS. Ni la dépendance angulaire du champ critique supérieur, ni l'anisotropie de la phase supraconductrice n'ont montré de signe d'un paramètre d'ordre non conventionnel. Néanmoins les premières mesures de magnétométrie locales, réalisées en collaboration avec le Dr Klein, ont suggéré que le scénario pourrait être beaucoup plus compliqué que cela. Nous avons trouvé plusieurs particularités qui ne peuvent être expliquées dans l'image BCS simples. Il est possible que la magnétométrie est plus sensible à la modulation microscopique du paramètre d'ordre supraconducteur et elle reflète également les aspects particuliers des vortex dans le système. Ces résultats préliminaires sont à la base du sujet principal de ce projet. La thèse se propose de mettre l'accent en particulier sur les mesures de magnétométrie des différents échantillons couvrant l'ensemble du diagramme de phase. A Grenoble la sonde magnétométrie Hall pourra être complétée par des mesures de pénétration magnétiques via des mesures de diode tunnel. Outre la portée scientifique du projet proposé a un aspect technique important. Il se concentrera sur le développement des infrastructures dans le laboratoire à basse température à Kosice. A savoir, il est destiné à la mise en œuvre de la méthode de recherche expérimentale (aimantation locales utilisant des sondes de Hall miniatures). Un aspect très important de la collaboration est le développement d'un microscope à sondes de Hall, qui devrait être installé à Kosice prochainement. Le disertant est censé être l'un des principaux acteurs de cet équipement.

  • Titre traduit

    Local magnetometry measurements of selected superconductors


  • Résumé

    Superconductivity was discovered in 1911 and since then scientists have been trying to understand the basic mechanism which stands behind this phenomenon. Classical BCS theory assumes that under certain temperature superconductivity arises from pairing of the conduction electrons via an interaction mediated by the deformation of the ionic lattice or phonons. Four decades ago it was suggested that fluctuations of almost suppressed excitonic charge order could also give rise to superconductivity. The superconducting transition temperature Tc in the classical superconductors with phononic pairing mechanism is limited by the strength of the electron-phonon interaction. It seems that it cannot go above certain limit without the material's structure collapse and some 30 – 40 K is a maximum achievable Tc by this mechanism. This limit could be avoided by excitonic pairing, paving the way for room-temperature superconductivity [Ginzburg, V. L., Sov. Phys. JETP 20, 1549, (1965)]. The excitonic superconducting mechanism is expected in systems near the charge density wave order. Generally, compounds with competing order parameters are very interesting to study and pose questions that are currently in the central research of condensed matter physics. One of such systems is also TiSe2. It shows a charge density wave (CDW) ordering at ambient pressure below 200 K with very peculiar feature of chirality. Recently it was found that it becomes superconducting with intercalation of copper between TiSe2 layers while the CDW state is gradually suppressed. Critical temperature of superconducting transition attains maximal value at the copper concentration of x=0.08 when CDW state is nearly suppressed and with higher dose of copper the critical temperature decreases. Shortly after discovery of superconductivity in copper doped TiSe2 a debate concerning the interplay of two different orders (superconductivity and charge density wave) started. The group of Zaberchik et al. [Zaberchik et al., Phys. Rev. B 81, 220505(R) (2010)] performed experiments on CuxTiSe2 studying samples with different copper concentration and interpreted their results as an evidence of strong influence of CDW on superconductivity. Experiments on the heat capacity and scanning tunnelling microscopy/spectroscopy (STM/STS) were performed in Košice in order to inspect the superconducting and CDW order parameters of the system. Surprisingly and in odds with the above mentioned conclusions of Zaberchik et al. the measurements of heat capacity and STM spectroscopy showed no significant influence of CDW on superconductivity. Both heat capacity and energy gap spectra were well fitted by BCS theory pointing to simple s-wave superconductivity in all measured samples. Neither the angular dependence of the upper critical field, nor the superconducting anisotropy showed any indications of an unconventional order parameter. The results on heat capacity measurements were published in Physical Review B 88, 020507(R) (2013) and STM/STS data are submitted to Physical Review Letters. On the other hand, preliminary Hall-probe local magnetometry measurements, performed in the collaboration with Dr. Klein, revealed that the picture might be much more complicated than that. We found several peculiar features which cannot be explained within the simple BCS picture brought by heat capacity and STM measurements. It is possible that the magnetometry is more sensitive to microscopic modulation of the superconducting order parameter and it also reflects peculiar aspects of superconducting vortices in the system. These preliminary findings, contradictions and hints are certainly worth of further studies and will be the main topic of this project and subject of the PhD thesis of Ms. Medvecka. The PhD. thesis intends to focus particularly on the magnetometry measurements of the different samples covering the whole phase diagramme of copper doped titanium diselenides. In Grenoble the Hall probe magnetometry will be complemented by the magnetic penetration measurements via tunnel diode measurements. We will study in details the properties of the samples in order to elucidate character of energy gaps present in the system and possible interplay of superconductivity and charge density wave order. To reach this goal we will perform local magnetometry measurement using miniature Hall-probe arrays and scanning Hall-probe microscope at various temperatures, magnetic fields and for different orientation of the field in respect to the sample crystalographic planes. Both theoretical and experimental research will be conducted in order to understand the mechanisms responsible for observed behavior. Besides the scientific scope the proposed project has an important technical aspect. It will focus on further development of infrastructure in the low temperature laboratory in Kosice. Namely it is aimed to successful implementation of the experimental research method – local magnetization measurements using miniature Hall probes. This will be accomplished in collaboration with Dr. T. Klein who is an expert with a long-standing expertise in this special field. At a moment the construction of the probe bearing Hall probes magnetometry in 3He cryostat and corresponding technical arrangements is in progress in Kosice as a part of PhD thesis of Ms. Medvecka. In the near future a supervision of the expert will be highly needed in order to test the probe and to overcome eventual problems. Mastering of the technical part of the method however does not yet accomplish the implementation process. Data treatment corresponding to the critical fields in superconductors is a complicated procedure involving several factors like geometric form of the sample, the pinning etc. To keep desired precision and to avoid mistakes at the data processing the experience of the expert is invaluable. Very important aspect of the presented collaboration is getting experienced with the scanning Hall-probe microscope, which is expected to be installed in Kosice shortly. The disertant is supposed to be one of the main drives of the equipment. Obviously, mastering of such a complex technique requires a lot of experience. In Grenoble in the group of Dr. Klein such microscope is at disposal thus the disertant will have an exceptional opportunity to profit from practicing with the microscope.