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Un supraconducteur pas si conventionnel !

Par le biais de la microscopie à effet tunnel, l’équipe « Dispositifs quantiques contrôlés » de l’INSP, avec la contribution de deux chercheurs de l’IMPMC et de l’Institut Néel, ont démontré que Nbse2 comportait deux gaps supraconducteurs, contrairement à ce qui était généralement admis jusqu’alors.[1]

Il est parfois profitable de revenir dans des lieux déjà explorés en y portant un regard neuf, à la lumière des connaissances actuelles. De fait, la nature nous fait parfois le cadeau de nous surprendre avec quelque effet inattendu qu’elle nous offre à découvrir ! C’est donc un peu à la manière d’archivistes que l’équipe « Dispositifs quantiques contrôlés » de l’Institut des Nanosciences de Paris (INSP), s’est penchée sur un « vieux » supraconducteur bien connu, NbSe21 . Grâce à la spectroscopie tunnel ultra-résolue en énergie, les chercheurs ont découvert que dans NbSe2, considéré jusque là par nombre de physiciens comme un bon exemple de supraconducteur parfaitement conventionnel, le condensat quantique supraconducteur présente des caractéristiques tout à fait inhabituelles !

En premier lieu, l’objectif de ces scientifiques était de revenir sur les pas des explorateurs de première heure de la supraconductivité, dans le but d’acquérir une compréhension plus fine de la supraconductivité de ce matériau, ceci au moyen de leur technique expérimentale de prédilection, la microscopie, croisée à la spectroscopie tunnel. Découvert en 1981 par les physiciens allemands Gerd Binning et Heinrich Rohrer (prix Nobel 1986), le microscope à effet tunnel met à profit la nature ondulatoire des électrons pour permettre à la fois, l’imagerie d’une surface conductrice (topographie) et la mesure de ses propriétés électroniques (spectroscopie), plus précisément de sa densité d’états locale (voir sur le site).

Des mesures de spectroscopie tunnel sur NbSe2 avaient certes été faites par le passé, notamment par Hess [2], un des pionniers en la matière, mais la démarche des chercheurs de l’INSP a été sensiblement différente. En effet, au lieu de l’habituelle pointe métallique en platine-irridium, ils ont eu l’idée de remplacer celle-ci par une pointe supraconductrice (fig. 1). Grâce à cette petite astuce expérimentale, la résolution en énergie de la mesure est considérablement augmentée, ce qui permet la détection de signatures très fines dans la densité d’états.

 

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Figure 1 : a) Schéma de principe de la mesure de spectroscopie tunnel avec une pointe supraconductrice. b) Courant tunnel en fonction de la tension pour échantillon supraconducteur avec une pointe supraconductrice. Les courbes révèlent l’existence d’une bande interdite de largeur 2( ΔNb+ΔNbSe2 ).

 

Qu’ont-ils donc découvert ?

Rappelons que dans un supraconducteur « conventionnel », i.e. bien décrit par la théorie maintenant canonique de Bardeen, Cooper et Schrieffer (prix Nobel 1957), il existe une bande d’énergie interdite dans les excitations du condensat supraconducteur, plus communément appelé ’gap’ supraconducteur (qui est de l’ordre du meV). Celui-ci correspond à l’énergie nécessaire afin d’arracher un électron du condensat supraconducteur composé des paires de Cooper. De façon surprenante, leurs dernière mesures dans NbSe2 ont révélé l’existence de deux gaps (fig. 2), ce qui en fait un matériau très similaire à MgB2, un des tout premiers supraconducteurs2 , à présenter un double gap qui se manifeste expérimentalement de façon très claire [3].

 

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Figure 2 : a) Conductance en géométrie supraconducteur-Isolant-Supraconducteur obtenue dans NbSe2 avec une pointe en niobium et son ajustement par le modèle à deux gaps. b) Densités d’états partielles pour le petit et le grand gap dans NbSe2 prévue à partir de l’ajustement des données expérimentales.

 

Dans son état normal,NbSe2 a déjà une structure électronique complexe, les électrons de conduction se déplaçant dans plusieurs bandes électroniques. Deux d’entre elles contribuent de façon significative à la supraconductivité, conduisant au condensat supraconducteur ayant des caractéristiques différentes dans ces deux bandes. Cette hypothèse est confirmée par les calculs des auteurs de la publication, qui reproduisent avec une très grande précision les données expérimentales. Ils montrent que les « électrons » (ou plus précisément les quasiparticules) ont la possibilité de ’sauter’ d’une bande à l’autre (comme dans MgB2). Autrement dit, lorsqu’une paire est brisée dans l’une ou l’autre des deux bandes constituant le condensat, l’électron (ou quasiparticule) qui résulte de cette excitation a un temps de vie fini (typiquement de l’ordre de 10-12s) avant de diffuser vers l’autre bande. La prise en compte de ce couplage de quasiparticules, généralement négligé bien que décrit depuis long temps par les équations de N. Schopohl and K. Scharnberg [4], est essentielle pour une description adéquate de ce matériau.

 

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Figure 3 : Représentation « artistique » de la spectroscopie tunnel d’un supraconducteur à deux bandes. En raison de la sélectivité tunnel, une seule des deux bandes (la bande 1) est sondée par la mesure spectroscopique. Cependant, grâce au couplage inter-bande des quasiparticules, des signatures liées à l’existence de l’autre bande (bande 2) sont néanmoins perceptibles dans la bande 1 et sont révélées dans les courbes ITunnel(V).

 

Cette étude, prise dans le contexte des précédents travaux de l’équipe, montre que la supraconductivité « multi-gap » est bien plus courante que ce que l’on pensait il y a tout juste quelques années ! Par ailleurs, la portée de ces résultats pourrait être sensiblement plus large que la seule compréhension de NbSe2 : L’aspect « multi-gap » semble en effet crucial pour comprendre une toute nouvelle classe de supraconducteurs à haute température critique à base de fer et d’arsenic, les pnictides, découverts en 2008 par des équipes japonaises [5,6], et sur lesquels nous travaillons actuellement. La compréhension de ces nouveaux matériaux pourrait à postériori, donner un nouvel éclairage sur les cuprates supraconducteurs à haute température critique, découverts en 1986 par Bednorz et Müller. Ces derniers restent à ce jour incompris : une énigme décidément coriace à résoudre pour les physiciens de la matière condensée…

Références :

[1] Noat, Y ; Cren, T ; Debontridder, F ; Roditchev, D ; Sacks, W ; Toulemonde, P ; San Miguel, A ; Physial Review B, 82 (1) ( 2010)

[2] H. F. Hess, R. B. Robinson, and J. V. Waszczak, Phys. Rev. Lett. 64, 2711 (1990).

[3] F. Giubileo, D. Roditchev, W. Sacks, R. Lamy, D. X. Thanh, J. Klein, S. Miraglia, D. Fruchart, J. Marcus, Ph Monod, Physical Review Letters 87, 177008, (2001).

[4] N. Schopohl and K. Scharnberg, Solid State Commun. 22, 371 (1977).

[5] Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008).

[6] H. Takahashi, K. Igawa, K. Arii, Y. Kamihara, M. Hirano and H. Hosono, Nature 453, 376 (2008).

 


1 NbSe2 est un matériau lamellaire de structure hexagonale. Sa température de transition supraconductrice est de 7.2K.

2 Rappelons que la supraconductivité à deux gaps a été mise pour la première fois en évidence dans SrTiO3 dopé au niobium dans les années 80.