Institut des
NanoSciences de Paris
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Nanostructures et systèmes quantiques

Formation de domaines dans les supraconducteurs

Gourdon Catherine, Jeudy Vincent, Okada Takanori (doctorant), collaboration A. Cebers

De nombreux systèmes physiques : films ferro- ou ferri-magnétiques, adsorbats sub-monocouche, couches de Langmuir polarisées, supraconducteurs de type I, fluides magnétiques, présentent à l´équilibre une organisation spontanée en domaines. Généralement répartis de façon désordonnée, les domaines présentent des formes allongées (lamelles) ou circulaires (bulles) dont les tailles et les espacements typiques varient selon la nature du système. L’organisation spontanée résulte d’une compétition entre des interactions à courte portée (énergie d’interface positive) et des interactions (magnétiques, élastiques, électrostatiques) à longue portée entre les domaines.

JPEG Structure en domaine observée dans une couche d’indium d’épaisseur 10•m,placée dans un champ magnétique perpendiculaire. Les domaines à l’état normal (en noir) portent du flux magnétique. Les domaines supraconducteurs (en gris) sont totalement diamagnétiques

 

Paradoxalement, alors que les supraconducteurs de type I ont fait l’objet des premiers développements théoriques sur l’auto-organisation (Landau, 1937), les mécanismes de formation des domaines sont restés beaucoup moins bien compris que pour d’autres systèmes. Les études des années 1965-1980 étaient le plus souvent qualitatives. D’un point de vue théorique, les interactions entre les domaines étaient décrites de manière approchée, excepté dans le cas particulier d’un réseau périodique de lamelles infinies. Le premier modèle fournissant des prédictions proches de celles de Landau et formulé sans hypothèse préalable sur la morphologie des domaines a été proposé par Dorsey et al. (PRL (1996) et PRB (1998)). Cette avancée théorique, inspirée des recherches sur les fluides magnétiques, permettait de s’intéresser aux mécanismes de formation des domaines dans les supraconducteurs.

Dans ce cadre, nous avons développé un dispositif d’imagerie par microscopie Faraday et mené une étude extensive des propriétés statiques des structures en domaines. Ces recherches ont révélé une phénoménologie de formation des domaines singulière par rapport aux autres systèmes auto-organisés.

Contrairement aux lamelles, les bulles ne sont pas des structures à l’équilibre. Leur diamètre est indépendant du champ magnétique appliqué, c’est-à-dire, des interactions mutuelles entre domaines. Nous avons montré que le diamètre des bulles était contrôlé par un seul paramètre, le nombre de Bond magnétique (rapport entre l’énergie d’interface et l’énergie magnétostatique), en rassemblant l’ensemble des mesures sur une courbe universelle (PRL, 2004). Le modèle de Dorsey et al. a été amélioré (collaboration A. Cebers) en tenant compte de l’écrantage du flux magnétique par les domaines supraconducteurs. Les mesures et les prédictions théoriques présentent un accord quantitatif sur toute la gamme du nombre de Bond sur laquelle sont observés des domaines non branchés (PRB, 2005).

Nous avons ensuite mis en évidence l’instabilité d’élongation des bulles, en corrélant la forme et l’aire des domaines. C’est un résultat surprenant car le diamètre des bulles étant constant, il n’est pas envisageable de dépasser la limite de stabilité en faisant varier le champ magnétique. Pour concilier ces deux faits, il faut supposer que la forme initiale est déterminée lors des sauts de flux magnétique à partir du bord des échantillons. Ainsi, contrairement à d’autres systèmes autoorganisés, les lamelles ne sont pas formées par instabilité des domaines circulaires, (EPL, 2006).

 

JPEG Diamètre des domaines circulaires de la phase normale en fonction du nombre de Bond magnétique pour différents supraconducteurs :(indium (cercles), plomb (carrés), mercure (losanges). Les courbes représentent le diamètre des bulles dans la limite des interactions inter-domaines négligeables (tirets : sans écrantage, trait plein : avec écrantage).

 

En étudiant la nucléation et la disparition des domaines supraconducteurs, nous avons mis en évidence une hystérésis magnétique et topologique (apparition de lamelles et disparition de bulles) Nous avons montré que l’hystérésis topologique pouvait être associée à l’instabilité d’élongation se produisant lors de la croissance des domaines circulaires supraconducteurs. L’hystérésis magnétique résulte d’une surchauffe et d’un sur-refroidissement, alors qu’on ne s’attend pas à rencontrer ces états métastables dans des échantillons macroscopiques (PRL, 2006).