Transition isolant-métal et supraconductivité induites par pulse électrique dans les isolants de Mott AM4X8 (A=Ga, Ge ; M=V, Ta, Nb ; X=S, Se)
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Abstract EN:
The chalcogenide lacunar spinel family AM4X8 (A = Ga, Ge ; M = V, Ta, Nb ; X = S, Se) is one of the rare examples of Mott insulators that become metallic under pressure, and even superconducting for GaTa4Se8 (TC = 8 K) et GaNb4Se8 (TC = 5. 7 K). During this PhD thesis, a non–volatile insulator to metal transition was obtained on single crystals of these compounds using a external stimuli very different than pressure : the application of electric pulses as short as 100 ns. This transition is reversible using opposite electrical current. In the “metallic like” state, GaTa4Se8 presents a superconducting state with a TC of about 5-7 K. The resistance does however not drop to zero, suggesting a granular superconductivity. This hypothesis is further confirmed by Scanning Tunneling Microscopy studies, showing an electronic phase separation where two types of nanodomains coexist, metallic ones and extremely insulating ones, both immerged into the insulating majority phase. The mechanism of this pulse–induced reversible insulator – metal transition does not seem to be one of those already known in literature. Our results suggest the existence of a electrostrictive coupling that generates a local compression during the pulse application, leading to a bandwidth-change driven Mott transition. This study could be the first experimental evidence of such a phenomenon. The reversibility of the transition opens the way for the application of these materials in non-volatile RRAM memories
Abstract FR:
La famille de chalcogénures spinelles lacunaires AM4X8 (A = Ga, Ge ; M = V, Ta, Nb ; X = S, Se) constitue un des rares exemples d’isolants de Mott qui deviennent métalliques sous pression, et même supraconducteurs pour GaTa4Se8 (TC = 8 K) et GaNb4Se8 (TC = 5. 7 K). Dans cette thèse, une transition isolant-métal non-volatile a été obtenue sur des monocristaux de ces composés via une perturbation très différente de la pression : l’application de pulses électriques très courts. Cette transition peut être réversible en inversant le sens d’application des pulses. Dans l’état "métallique", GaTa4Se8 présente un état supraconducteur avec une TC de l’ordre de 5-7 K. La résistance électrique ne tombe toutefois pas à zéro en-dessous de TC, ce qui suggère une supraconductivité de nature granulaire. Cette idée est confirmée par les études de microscopie à effet tunnel qui montrent une séparation de phase électronique, avec coexistence deux types de nano-domaines, les uns métalliques et les autres extrêmement isolants, inclus dans la phase majoritaire isolante. Le mécanisme de cette transition isolant – métal réversible ne semble pas correspondre à ceux répertoriés dans la littérature jusqu’ici. Nos résultats suggèrent l’existence d’un couplage électrostrictif qui génère une compression locale dans le matériaux pendant le pulse, entraînant ainsi une transition de Mott locale pilotée par l’augmentation des intégrales de transfert. Cette étude pourrait constituer la première mise en évidence expérimentale de ce type de phénomène. La réversibilité de la transition ouvre le chemin pour l’application de ces matériaux dans des mémoires non-volatiles de type RRAM