Cohérence et interférences quantiques dans les nanostructures Supraconducteur / Ferromagnétique
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This work presents an experimental study of the proximity effect between a superconductor and a ferromagnet. Planar tunneling spectroscopy reveal damped oscillations of the superconducting order parameter induced into a ferromagnetic thin film by proximity effect. The oscillations are due to the finite momentum transfer provided to a Cooper pair by the splitting of the spin up and down bands in the ferromagnet. As a consequence, for negative values of the superconducting order parameter the tunneling spectra are capsized ("[pi]-state") (Kontos et al. Phys. Rev. Lett. 86, 304 (2001)). The order parameter oscillations result in a non-monotonic Josephson coupling as a function of thickness of the ferromagnetic layer, when coupled with a superconducting counter-electrode. As expected, the maximum critical current follows the zero energy density of states leading to a "[pi]-coupling" for negative values of the superconducting order parameter ("pi-state"). The oscillations' damping and period are set by the same length scale (a few nm), which depends on the spin polarization. Using a ferromagnetic alloy (Pd(1-x)Ni(x) with a low Ni concentration), the exchange energy can be kept suitably small to maintain the proximity effect over a distance accessible to standard thin film technology. Finally, we note that we achieved a precise control of the Josephson junction ground state, as suitable for their implementation in more complex devices.
Abstract FR:
Ce travail de thèse présente une étude expérimentale de l'effet de proximité entre un supraconducteur et un métal ferromagnétique. La spectroscopie tunnel dans des jonctions planaires nous a permis de mettre en évidence les oscillations du paramètre d'ordre supraconducteur induit par proximité dans un métal ferromagnétique. Ces oscillations sont la conséquence de l'impulsion finie qu'acquiert une paire de Cooper lorsqu'elle pénètre dans une région où règne un champ d'échange, à cause du décalage en énergie entre les bandes up et down de spin. La conséquence qualitative des oscillations est une inversion de la densité d'états par rapport à la densité d'états normale (Kontos et al. Phys. Rev. Lett. 86, 304, (2001)). Lorsque le métal ferromagnétique est couplé à une deuxième électrode supraconductrice, le couplage Josephson observé a une dépendance non monotone en fonction de l'épaisseur de la couche mince ferromagnétique. Comme on peut s'y attendre, le courant critique maximum reproduit les oscillations de la densité d'états à énergie nulle, qui imposent par conséquent un "couplage pi" quand le paramètre d'ordre est négatif. La longueur d'amortissement et la période des oscillations sont fixées par la même échelle caractéristique, qui dépend de la polarisation de spin dans le métal ferromagnétique (quelques nm). En utilisant un alliage ferromagnétique (le Pd(1-x)Ni(x) avec de faibles concentrations de Ni), nous pouvons obtenir une énergie d'échange suffisamment faible pour rendre la fabrication des échantillons accessible aux techniques standard de dépôt en couches minces. Nous avons par ailleurs acquis un contrôle précis de l'état fondamental des jonctions Josephson. Ce contrôle nous permet d'envisager l'inclusion de jonctions pi dans des circuits supraconducteurs plus complexes.