[Article] - Un nouvel état magnétique dans des films supraconducteurs d’épaisseurs nanométriques

Mercredi 5 février 2025

Les matériaux supraconducteurs sont caractérisés par une absence de résistance électrique et par leur diamagnétisme. Des membres de l’équipe SPIN ont réalisés des films supraconducteurs monocristallins d’épaisseurs nanométriques grâce au TUBE DAUM et mis en évidence, que pour ces épaisseurs très faibles, un nouvel état paramagnétique est stabilisé sous certaines conditions de champ magnétique et de température. Ces travaux s’intègrent à un sujet de recherche plus large mêlant la spintronique et supraconductivité ayant pour objectif de développer une spintronique à faible besoin énergétique.
Contact : Thomas Hauet

Les membres de l'équipe SPIN, en utilisant le TUBE DAUM, peuvent désormais déposer des couches minces supraconductrices monocristallines d'une épaisseur allant jusqu'à quelques nanomètres. Les propriétés magnétiques de ces films minces se sont révélées très différentes de celles des films plus épais et des supraconducteurs massifs.

La réponse diamagnétique isotherme à un champ magnétique externe, due aux courants de Meissner, est une signature macroscopique de la supraconductivité. En dessous de leur température critique (Tc) et au-dessus de leur premier champ critique (Hc1), les supraconducteurs de type II hébergent des vortex qui réduisent le signal diamagnétique de Meissner jusqu'à son annulation complète au deuxième champ critique (Hc2), où le supraconducteur passe à l'état normal. Par conséquent, le moment magnétique macroscopique (M) d'un supraconducteur est un bon indicateur de l'état mixte des supraconducteurs de type II et des phases de réseaux de vortex.

Dans cette contribution, nous rapportons l'étude du moment magnétique de films minces de divers supraconducteurs conventionnels de type II (MgB2, NbN, Nb et V) avec des épaisseurs allant de 100 nm à 5 nm, en fonction du champ magnétique appliqué (H) et de la température (T). Lorsque H est appliqué perpendiculairement au plan du film, les mesures SQUID révèlent une courbe inversée M vs H par rapport aux courbes typiques pour des films d'épaisseur supérieure à 100 nm ou pour des échantillons massifs. Nous avons systématiquement analysé l'influence de l'épaisseur du film (t) et de T sur la stabilité de l'état « paramagnétique-like » induit par le champ observé, et nous soutenons que ces dépendances mettent en lumière le rôle du faible ancrage, de la longueur de pénétration de London augmentée par la géométrie, et des champs de démagnétisation au bord des films minces.

Pour en savoir plus sur ces résultats : 10.1103/PhysRevB.110.094502 ou hal-04716602

Au-delà de l'étude des caractéristiques intrinsèques des supraconducteurs en couche mince, le contrôle de la croissance des films supraconducteurs ouvre la voie au dépôt d'empilements plus complexes, notamment en utilisant des matériaux ferromagnétiques, afin de développer la spintronique supraconductrice. Un autre article a récemment été publié sur l'injection de spin dans des films minces supraconducteurs monocristallins de MgB2 étudiée par FMR (hal-04716631).

L’ensemble de ces travaux ont été rendus possibles par l’accès aux équipements et compétences des CC Daum, CC Ermione, CC3M, CC MagCryo, CC MinaLor et CC X-gamma.

Ces travaux ont été soutenus par le projet « SONOMA » cofinancé par le FEDER-FSE Lorraine et Massif des Vosges 2014-2020, un programme de l'Union européenne, et par l'Agence Nationale de la Recherche dans le cadre des subventions du gouvernement France 2030 PEPR SPIN ANR-22-EXSP 0008.

Auteurs
Corentin Pfaff (1) , T. Courtois (1) , M R Koblischka (2) , S. Andrieu (1) , J.-X. Lin (1) , M. Hehn (1), Stéphane Mangin (1), K. Dumesnil (1), T. Hauet (1)
1 IJL - Institut Jean Lamour
2 Saarland University

Références

DOI : 10.1103/PhysRevB.110.094502