Projet ANR-12-BS10-0014 – electroVORTEX : Des nanosondes ultra-sensibles pour explorer les distributions de charges électriques dans les supraconducteurs
Programme : Blanc - SIMI 10 - Nanosciences (Blanc SIMI 10)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Philippe TAMARAT (Laboratoire Photonique, Numérique, Nanosciences  (LP2N))
Partenaires : Institut des Nanosciences de Paris; Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine; Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences; Institut Optique Graduate School-CNRS
Montant : 387500.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Des nanosondes ultra-sensibles pour explorer les distributions de charges électriques dans les supraconducteursLe but fondamental du projet electroVORTEX est d'apporter la première preuve expérimentale directe de l'accumulation de charge électrique au coeur d'un vortex. Au delà de son fort impact sur la physique fondamentale de la «matière de vortex«, une telle découverte offrirait de nouvelles opportunités en termes d'applications des supraconducteurs à haute température au transport de courants intenses ainsi qu'aux dispositifs électroniques.
Démontrer expérimentalement l’accumulation de charge électrique au coeur d’un vortex dans un supraconducteur.Soumis à un champ magnétique extérieur, les supraconducteurs de type I expulsent le champ magnétique, tandis que dans les supraconducteurs de type II le champ peut pénétrer dans la région supraconductrice sous forme de tubes de flux appelés vortex d'Abrikosov. Les prévisions théoriques indiquent qu'il existe au coeur d'un vortex une redistribution de la charge électrique qui produit un champ électrostatique comparable à celui d'un dipôle de quelques Debyes. Des expériences d'effet Hall et de résonance magnétique nucléaire ont suggéré l'existence d'une accumulation de charge au coeur d'un vortex, mais leur interprétation reste controversée. Le but fondamental du projet electroVORTEX est d'apporter la première preuve expérimentale directe de l'accumulation de charge électrique au coeur d'un vortex. Des nanosondes ultra-sensibles telles les molécules fluorescentes individuelles et les pointes de microscope à effet tunnel seront utilisées pour déterminer la distribution de charge des vortex à l'échelle nanométrique. La présence d'une charge au sein d'un vortex devrait influencer sévèrement l'interaction entre vortex ainsi que le phénomène de piégeage des vortex, avec la possibilité de stabiliser les vortex dans des réseaux denses. Au delà de son fort impact sur la physique fondamentale de la «matière de vortex«, une telle découverte offrirait de nouvelles opportunités en termes d'applications des supraconducteurs à haute température au transport de courants intenses ainsi qu'aux dispositifs électroniques.
Des nanosondes ultrasensibles pour explorer les effets électriques au coeur des vortex d’Abrikosov.Les approches expérimentales standards vouées à mettre en évidence la charge au coeur d’un vortex individuel ont échoué. Le projet electroVORTEX propose le développement et l’utilisation des sondes locales nanométriques les plus sensibles pour explorer les effets de champs électriques dans les supraconducteurs de type I (parois de domaines normal/supraconducteur) et de type II (vortex d’Abrikosov) soumis à un champ magnétique. Au LP2N, les nanosondes employées sont des molécules organiques individuelles dont la résonance optique est très sensible au champ électrique local. A l’INSP, des méthodes de microscopie et spectroscopie électronique à effet tunnel sont mise en oeuvre pour sonder la densité locale d’état à l’échelle atomique. Ces deux approches expérimentales sont complémentaires et un échange d’expertise entre les équipes expérimentatrices en matière de cryogénie ou de fabrication d’échantillon est propice au bon déroulement du projet. Les expérimentateurs bénéficient d’un appui théorique de premier plan (laboratoire LOMA) sur les propriétés électriques et magnétiques des supraconducteurs qui permettra en amont d’optimiser les stratégies expérimentales, et en aval d’exploiter pleinement les résultats expérimentaux afin de les diffuser au plus haut niveau dans la communauté scientifique internationale.
Résumé de la soumission : Soumis à un champ magnétique extérieur, les supraconducteurs de type I expulsent le champ magnétique, tandis que dans les supraconducteurs de type II le champ peut pénétrer dans la région supraconductrice sous forme de tubes de flux appelés vortex d'Abrikosov. Les prévisions théoriques indiquent qu'il existe au coeur d'un vortex une redistribution de la charge électrique qui produit un champ électrostatique comparable à celui d'un dipôle de quelques Debyes. Des expériences d'effet Hall et de résonance magnétique nucléaire ont suggéré l'existence d'une acucmulation de charge au coeur d'un vortex, mais leur interprétation reste controversée. Le but fondamental du projet electroVORTEX est d'apporter la première preuve expérimentale directe de l'accumulation de charge électrique au coeur d'un vortex. Des nanosondes ultra-sensibles telles les molécules fluorescentes individuelles et les pointes de microscope à effet tunnel seront utilisées pour déterminer la distribution de charge des vortex à l'échelle nanométrique. La présence d'une charge au sein d'un vortex devrait influencer sévèrement l'interaction entre vortex ainsi que le phénomène de piégeage des vortex, avec la possibilité de stabiliser les vortex dans des réseaux denses. Au delà de son fort impact sur la physique fondamentale de la "matière de vortex", une telle découverte offrirait de nouvelles opportunités en termes d'applications des supraconducteurs à haute température au transport de courants intenses ainsi qu'aux dispositifs électroniques.
Résultats : LP2N: optimisation des échantillons constitués d’une couche supraconductrice surmontée d’un film dopé en molécules fluorescentes. Des molécules-sondes très photo-stables sont ainsi placées à quelques dizaines de nanomètres de la surface du supraconducteur, afin d’en détecter efficacement le champ électrique par un déplacement de la fréquence de résonance optique. Parallèlement, l’étude du système cryogénique dédié à ces expérience est quasi-finalisé. Les expériences préliminaires menées sur supraconducteurs de type 1 montrent une sensibilité de la résonance optique de la molécule lorsque celle-ci est voisine d’une paroi de domaine normal/supraconducteur. L’origine de cet effet, qui reste à éclaircir, résulte probablement d’un champ électrique induit dans le grenat multiferroique. 
LOMA: étude théorique de l’effet de génération d’un champ magnétique dans un grenat ferromagnétique utilisé comme indicateur magnéto-optique pour la visualisation de vortex d’Abrikosov. Cette étude permettra d’estimer la sensibilité d’une molécule unique au faible champ électrique généré par le grenat, afin de comprendre les résultats préliminaires obtenus par le L2PN. Durand cette période, ce groupe a également étudié l’interaction entre les vortex et le moment ferromagnétique induit dans des bicouches Supra/Ferro. 
INSP: une méthode originale a été testée pour imager le dipôle électrique au coeur d’un vortex. Les premiers résultats indiquent que les hautes tensions nécessaires sont destructives lorsque des pointes en platine sont employées face au NbSe2. De nouveaux matériaux (pointe tungstène et échantillons de plomb) sont à l’étude afin d’éviter un endommagement des pointes à l’avenir. Ce groupe a également commissionné un nouveau microscope STM/AFM et effectué des mesures préliminaires de spectroscopie à sonde de Kelvin, comme prévu dans le calendrier initial du projet. Ce mode fonctionne correctement et sera bientôt appliqué à l’imagerie du champ électrique au coeur des vortex.
Perspectives : Le groupe du LP2N va mener une étude du déplacement de résonance de molécules situées dans l’environnement nanométriques d’une paroi de domaine N/S dans l’indium. L’investigation portera notamment sur le champ électrique généré dans l’indicateur magnéto-optique (à exploiter ou à éliminer autant que possible). Dans les supra de type 2, une manipulation optique des vortex par laser est prévue, afin de diminuer la distance molécule-vortex. L’équipe de l’INSP prévoit d’utiliser la spectroscopie/imagerie à sonde de Kelvin avec le nouveau dispositif AFM/STM à basse température (un support d’échantillon avec aimant permanent au sommet sera développé pour générer un réseau de vortex sans recours à une bobine externe). Les mesures STM seront réalisées avec des films de Pb, In et Sn en mode I(V) et Z(V) pour imager simultanément les coeurs de vortex et leur influence éventuelle sur le champ électrique local. Le champ électrique de la pointe STM sera utilisé pour déplacer les vortex. Au LOMA, il est prévu d’étudier l’interaction d’un vortex d’Abrikosov avec un point chaud créé par faisceau laser dans le supraconducteur. Le but de ce travail est de spécifier les conditions pour un déplacement contrôlé de vortex. Ce groupe va également calculer la génération de champ électrique dans un indicateur magnéto-optique en présence d’un champ magnétique inhomogène créé par l’état intermédiaire (type 1) ou dans la phase vortex (type 2).
Publications et brevets : Présentation par I. Veschunov à la Conférence internationale «Vortex Matter in Nanostructured Superconductors« (Greece, 21-26 September, 2013). Poster : “Probing electric fields in type I and type II superconductors by single molecule spectroscopy”. Présentation par A. Bespalov et A. Buzdin à la Conférence internationale «Vortex Matter in Nanostructured Superconductors« (Greece, 21-26 September, 2013), sur l’interaction entre les vortex et le moment ferromagnétique de bicouches S/F. De nouveaux échantillons de couches minces Cu/Nb, Sn, Pb déposés sur SiO2 ont été préparés en salle blanche. Un procédé très astucieux de clivage a été développé afin d’obtenir sous ultravide des surfaces très planes exemptes de toute contamination. Cette technique a été présentée à la Conférence Internationale sur les NanoSciences et Nanotechnologies (ICN+T 2013) et a rencontré un vif succès. Un article décrivant la technique est en cours d’écriture.