Supraconductivité induite dans desfils métalliques et des molécules

Collaborations:O.Stéphan, M/ Kociak, A. Gloter, C. Colliex (Orsay)F. Ladieu, M. Ocio (Saclay), P. Poulin (Bordeaux), P. Launois (Orsay)S. Nakamae (Saclay); M. Cazayous, A. Sacuto (Paris 7), L.Buchaillot, V. Agache, A-S. Rollier (IEMN Lille)A.M. Bonnot (Grenoble)O. Pietrement, E. Le Cam (IGR Villejuif); S. Lyonnais, J-L. Mergny (MNHN Paris)

L. Angers, F. Chiodi, A. Chepelianskii, C. Ojeda, A. Shailos, M. Kociak, P. Roche, M. Ferrier, R. Deblock, S. Guéron, A. Kasumov, B. Reulet, H. Bouchiat,

Laboratoire de Physique des SolidesUniversité Paris Sud, Orsay

S

SS

S S

S

SS

S

S

• What is the superconducting proximity effect?

•The classical proximity effect: dc squids made of long SNS junctions, where N is a metal (µm3)

•S-Molecular wire-S junctions (µm x nm²) :suspended carbon nanotubes, DNA molecules

•S-Molecule-S junction (nm3): métallofullérène (molecule with spin)

•S-Molecular plane-S junctions (µm²xÅ) :graphene (several layers)

The superconducting proximity effect in metals and molecule s

S S

S S SS

SS

SS

What is the superconducting proximity effect ?

Ingredient number 1: Superconducting electrodesWhat is a superconductor?

S∆,ϕψBCS

V

i

R

T0

Tc

Example amongst metals: Al,Ta, Re, Tc~ 1-5 Kelvin

RN

Cooper pair∆= gap in the excitation spectrum, proportional to Tc

Energy

No single particle states at low energy: only pairedelectrons

0

Supercurrent:zero resistance state

V

I0

Ic

T<TcElectrical signatures of superconductivity

Zero resistance state for T< Tc

Density of states

∆−∆

Case 1: Insulator (the classical Josephson junction)

Pair correlations

x

Supercurrent:zero resistance state

R=dV/dI

I0

V

I0

Ic

Pairs tunnel from one superconducting electrode to the other

R

T0

RN

TcT<Tc

Ic

RNI=Ic sin (ϕ1-ϕ2)Ic=∆/eRN the big rule (Ambegaokar Baratoff)

S∆,ϕ1,ψBCS

S∆,ϕ2 ψBCS

V

10 Å

Ingredient number 2: a non-superconductor

Insu

lato

r

I

Supra

Normal metal

Cooper pair-> two time-reversed electrons« Andreev pair »

Supra

-> Cooper pair

Case 3: a moleculeSuperconducting proximity effect probes electronic properties of molecules (ground and excited states).

Case 2: a normal metal

Ingredient number 2: a non-superconductor

Supercurrent if normal metal is quantum:No change of state during diffusion from one S to other:No spin flip, no e-phonon collision, no thermal fluctuations…

In practice: at low temperature S correlations can extend to microns in normal metals. The proximity effect probes quantum coherence andelectron pair correlations.

S N S

=

∆ <

Induced gap in N ~ ∆∆∆∆

Proximity effect in short junctions Vs long junctions

Critical current through N :

Learn about S

L > ξsETh < ∆Induced gap in N ~ ETh

Critical current through N :

Learn about N!

S,∆ S,∆

L ETh= ћD/L²

Dynamics of propagation in N

Short LongL

Effet de proximité « classique » dans des fils métalliques

Supraconducteur= bicouche Niobium/or, Tc=9 KMétal normal=or très pur

I1,8µµµµm

I1,8µµµµm

N

N

S S

SS

Or

0,75µµµµm

V

0 2 4 6 8 10 12 14

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

L=0.75µm

R(Ω

)T(K)

L=1.2µm

Effet de proximité dans des fils métalliques

Résistance tombe à 0 quand le fil normal devient quantique.L<LT,,Lcohérence quantique

LT=√ (ћD/kBT)

Tc(S)

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

120

140

V

(µV

)

I(µA)

T=16 mK

SSN

0,75µµµµm

V

0 100 200 300 4000

20

40

60

80

100

120

140

V(µ

V)

I(µA)

AeR

EIs

N

Th µ32011 ≈≈

Nb/Au/Nb LN=0.75mm

Ir

T=20mK

Classical proximity effect

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

1

10

100 ETh

=140 mK

L=1.2 µmE

Th=50 mK

Ir

Is

I(µA

)

T(K)

L=0.75 µm

Switching out of the S state

Temperature dependence of switching current

Cuevas, 2007

Cf. Dubos 2001 PRB

Is well described with Usadel equations

~ exp(-T/ETh)

0 2 4 6 8 10 12 140

1

2

3

4

5

I s(µA

)

B(G)

Nouveau: un squid dc SNS

N

NSS

( )

ΦΦ+−=0

221

221

2cos4

πCCCC iiiiIs

Al/Au/Al

En fait, caractère diffusif change relation I(ϕ). Mais géométrie de squid dc pas adaptée pour mesurer.

B

L=1.9 µm

Interférence entre deux courants

Comme un squid SIS fait de jonctions Josephson habituelles où I=Ic sin(∆ϕ)?

S SNB

-3 -2 -1 0 1 2 30,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Ic/ic

2BLW/Φ0

At high field: flux quantum in the junction area?!

Field destroys interference between AndreevpairsG. Montambaux, JC Cuevas (2007):Decay depends on aspect ratio of the junction!

Expected for wide junction (SIS squid): Comparison theory/experiment

Gaussian decay (Φ0 in N)

Not full agreement yet:

field focusing and screening?

Measured on long narrow junction (SNS)

⊂

∫Φ−

⊂=ldAi

cC eiI

rr

0

4

0

π

0 100 200 3000

1

2

3

4

Al13Fic Al13sqc

I s(µA

)

B(G)

Al13sqb

Some mysteries remain: field reentrance

0.9µm1.3µm 1.25µm

• Field freezes magnetic impurities? Should happen at higher fields

• Amplified weak localization? 20% effect!: not weak enough!

• Paramagnetic orbital contribution? (Cf Mota, 1990)

Critical current enhanced by magnetic field! (Only in Al/Au/Al wires and squids , but not all)

T=20 mK

Vers la relation courant phase et la dynamique des paires d’Andreev

Current phase relation in a diffusive SNS junction

Heikkila, Sarkka, Wilhelm PRB 2002

ETh33

dc measurement ac measurement

S,-ϕ/2 S, ϕ/2N

n=1

harmonic

)(1 ϕcI Dτ

traversal time

n=2 )(2 ϕcI Dτ2

Can we take a snapshot of the Andreev states ?Current phase relation in a Josephson SIS junction

I=Ic sinϕ

Relation courant phase dans une mesure ac

Squid ac SNS sur un résonateur haut facteur de qualité

Résonateur LC multimode Nb

f: 300 MHz to > 8 GHz

Φ

SNS

Inductance cinétique anneau LA

(Bouchiat, Reulet, 1995)

Résonateur LC multimode Nb

Squid ac SNS (Nb/Au)

Résultats préliminaires

Oscillations périodiques

Accès à I(ϕ) jusqu’à 8 GHz… en cours

The classical proximity effect in long junctions:

Still need to:

Understand the role of magnetic field in the proximity eff ect; Geometry can be varied at will (aspect ratio)

Grasp the dynamics of the diffusing pairs: IV curves,Distribution of switching current,ac measurement of the current Vs phase relation, as a

function of frequency (conversion time, diffusion tim e, coherencetime...)

Et les molécules?

Supraconductivité induite à travers des nanotubesde carbone suspendus

Cons

tant

ine,

Alg

érie

ContactSupraconducteur

Nanotube de carbone

1 µmSubstrat Si

2 nm2 nm 3 nm

µm

nm

Individuel Multiparoi cordes

Un plan de graphene enroulésur lui-même

Qu’est-ce qu’un nanotube de carbone?

• Structure électronique particulière:• 1/3 nanotubes sont très bons conducteurs • Un fil moléculaire!

Nanosoudure laser (A. Kasumov)

Impulsion laser

Film carbone amorphe

Fente 100 x 1 µmContact supraconducteur

Membrane nitrure

Caractérisation au microscope électronique à transmission

Connecter les nanotubes et les observer

Nanotubes de carbone

ContactSupraconducteur

Nanotube de carbone

1 µmSubstrat Si

Refroidir les nanotubes sélectionnés

-200 -100 0 100 200

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

I (nA)

V (

mV

)

Courant critique

T = 130 mK

Supercourant

S contact(Au-Ta)

S

Supercourant à travers un nanotube de carbone

0

1 tube 7 tubes

300 nm

0.2 0.4 0.6 0.8 1.05

10152025

R(kΩ)

T(K)

Résistance nulle à basse température

Courant critique trop élevé! (RNIc>∆contact)Les nanotubes sont eux-mêmes supraconducteurs!

Kasumov et al., Science(1999)

Supra SupraNanotube

phase ϕ1 phase ϕ2

Vi

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-10

0

10

20

30

40

50

60

R (

Ω)

Frequency (MHz)

Reulet et al. PRL 2000

•Detection: Heating or phase coherence breaking at resonance

•Possible Qbit candidate (F. Nori, 2004):

?

Use the proximity effect to detect mechanical vibrations

Q=1000

Fundamental transverse modeof a clamped rod

MHzE

L

RfT 276

24.22 2 ≈=

ρE Young modulus ~ 1TPa

Au/Re contacts200 tubes, L=1.7µm, RN =65Ω

S S

ωT=120 mK Ћω=kBT

Un autre fil moléculaire: l’ADN

Why would DNA conduct electricity?

2 nm

Base pairs ressemble benzene molecules

Benzène:

Guanine:

HOMO LUMO

• Delocalized orbitals (in the base planes and along the helix)• Calculations predict semi-conducting band structure• Random base sequence

Disordered wire? Localized? Doping?

Pourquoi l’ ADN conduirait-elle?

• Electrons délocalisés sur les bases et le long de l’hélice• Calculs prédisent semi-conducteur• Mais désordre dû à séquence aléatoire de paires de bases.

Fil désordoné, peut-on le doper?Peut-on voir la signature de sa structure hélicoïdale?

ADN-B (standard) Bases Aromatique

Paires de Base

épine dorsale phosphate-sucre

2 nm

Loi d’Ohm à 1 Kelvin!

~200 kΩ per molecule

Mica

Electrodes: Renium/Carbone Supraconducteur sous Tc=1 K

ADN-λ

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

5

10

15

20

T(K)

R(k

Ω)

H=0

-150 -100 -50 0 50 100 150

5

10

15

20

R (

kΩ)

I (nA)

-100 0 100

-2

0

2

V(m

V)

I(nA)

10 brins d'ADN

Kasumov et al, Science 2001

Supraconductivité (partiellement) induite à basse température

Supraconductivité à travers des molécules d’ADN

Les paires supraconductrices peuvent se propager sur ~200 nm à T= 0.1 Kelvin

Image AFM

Mais:Expérience difficile à reproduire:ADN est une molécule fragile!Contrôler la surface et les interactionsLes électrodesLe rôle de la solution tamponLe dopage éventuel par les contacts…

thèse A. Chepelianskii

ADN conduit aussi entre des électrodes de Platine Carbone

(Kasumov et al, APL 2004)

De plus en plus petit…

Jonction Supra-metallofulerene-Supra

A. Kasumov, R. Deblock, S.Guéron, H. Bouchiat (LPS Orsay);K. Tsukagoshi, M. Kawamura, T. Kobayashi, Y. Aoyagi (RIKEN, Japan)K. Senba, T. Kodama, H. Nishikawa, I. Ikemoto, K. Kikuchi,(Department of Chemistry, Tokyo Metropolitan University, Japan)

Supra Supra

Superconductivity andferromagnetism?

Why S-metallofulerene-S junctions ?

Superconductivity and a quantum dot with one unpairedspin? (Superconductivity andKondo.)

S SF

S SQD+

S SQD withmagneticmoment

= S-metallofulerene-S !

What is a metallofullerene ?

Gd atomC82 fullerene

S= 7/2, s= 1/2

A fullerene molecule with an metal atom inside.

Charge transfer Gd 3+, C823-

S = 3 for single Gd 3+@ C823-

Does it conduct? Senapati et al, Nanolett (2004)

Estimate R<6 kΩ, and (but) Gd plays no role!

LUMO HOMO

< 1 nm

Magnetic properties of Gd@C82 dimers and clusters ?

Furukawa et al. , J. Phys. Chem. A 2003 : Dimerisation in condensed solution Magnetism of Gd@C82 dimer: 2 coupled spins 7/2

Weak dipolar coupling (0.1 K):Antiferromagnetic or ferromagnetic

Is it possible to see these magnetic states?

Susceptibility on powder (dimer), at 5 T (Funasaka et al, J. Phys. Chem. 1995)

Paramagnetic above 3 KExtrapolation to 0 K:

Antiferromagnetic, J=0.7 K

AF F

Metal

SiSi3N4

Fabrication d’électrodes pour mesurer et visualiser des molécules de quelques nanomètres

3mm

Il faut diminuer l’écartement entre électrodes

1 µm

Trop gros!

Electrodes pour mesurer une molécule…Alik Kasumov: Japon, Orsay! Faiseau d’ions focalisé

Metal

SiSi3N4

GaliumIons (30 keV)

Vapeur d’hexa

carbonyl

de

tungstène

W. Nativel, C. Collet, Thalès

FIB image

TEM image

Properties of superconducting tungsten electrodes

• Auger analysis :75% tungsten10 % carbon10 % gallium5% oxygen

• Rsq: between 1 and 50 Ohm• TC = 4-5 K (pure W has Tc of less than 100 mK !)• HC = 7 T !!!

Investigate the proximity effect in high fields!

• Length = several microns,typical width = 200 nm

Insertion des métallofullérènes

solution CS2 10 µg/ml fullerene(Furukawa et al. J. Phys. Chem. A (2003)).

Interstice nanométrique, suspendu!

Comment le sait-on ?

On a obtenu: Un dimère

R(300 K) = 13 k Ω

Des agrégats d’environ 7 molécules

R(300 K) = 3 and 1.5 kΩ

V

On l’a vu!

Observation dans un microscope électronique en transmission• nombre et nature des molécules• rien d’autre dans l’interstice…. Et on mesure!

Dimère de Gd@C82

électrodes supraconductrices en tungstène

Kasumov et al, Phys. Rev. B 72, 033414 (2005)

Les paires passent-elles à travers un dimère de métallofullérène?

Mais la TC des contacts est de 5K !Transition with TC = 0.7 K, HC = 1 T

Etat magnétique fluctuant?

Spins antiparallèles?Laisseraient passer les paires?

Selon son état, la molécule peut bloquer le passage des paires

S S

Hysteretic behavior: magnetic moment (frustrated AF grain?)

Magnetic ordering in the cluster with a magnetic moment?

No proximity effect in a metallofullerene cluster (about 10 molecules)

T=4.2 K

small m ?

larger m ?

What next?

• Simplify: Monomers of metallofullerenes (La@C82)

• Other molecules (DNA quadruplexes…)

• Find a way to gate these suspended devices, and stillobserve them...

S S

Φ

0 state

π stateNeed a loop to test prediction

• Prediction: electronic configuration can control relative orientation of moments

Bergeret, Levy Yeyati, Martin-Rodero, Phys. Rev. B (2006)

Toward suspended gates on metallofullerenes…

Focused Ion Beam-assisted growth (A. Kasumov, F. Fortuna)

SEM image

side gate

contacts

nanogaps

Work in progress…

La nouvelle passion: le graphèneA. Shailos, P. Delplace, W. Nativel, C. Collet,

M. Ferrier, R. Deblock, S. Guéron, A. Kasumov, H. Bouchiat

Graphène: monoplan atomique.Les électrons ont des propriétés très particulières:En particulier, modifie la conversion paire-> électrons conjugués (prédiction 2006).

Use the proximity effect to probe a non superconducting sample

Graphene????Effect of the band structure on proximity effect?

Beenakker, 2006: modified Andreev reflexionE

SiN

(Quelques couches de) Graphène connecté à des électrodes supraconductrices

Microscope électronique balayage

2.5 µm

Résistance chute, mais ne tombe pas à 0: électrodes trop éloignées. D’autres ont fait mieux (U. Delft).

À suivre…

S electrodes: Ti/Al, Tc=1 K , less than 400 nm apart

Heersche et al, Nature 2006: gate-dependent supercurrent

supercurrent Andreev reflection

High field behavior?

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

dI/d

V (

10-4

/ohm

s)

Vsd (Volts)

Differential conductance in meV range : graphene/ite band structure

T=0.25 K

T=150 K

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

dVdI

(kO

hms)

Vsd (mV)

T (mK)

V(mV)

∆′

∆2

∆′2

∆

32∆′

Multiple Andreev reflection peaks. 2 gaps due to local doping by contacts ?

From 50 mK to 1K

©R. Cron

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

dV/d

I (kO

hms)

Vsd (mV)

32∆′

∆′

∆2

∆′2

∆

Field dependence is more complicated

Could we see focusing by magnetic field ?Shailos et al, Europhys Lett (2007)

Resistance alternatesbetween local maximum and minimum:

Effect of orbit focusing by magnetic field?

S SS

S

Long diffusive junctions

0d, 1d, 2d « molecule »

The superconducting proximity effect in metals and molecu les

Still things to explore (magnetic field, dynamics):snapshots of diffusing Andreev pairs

S

S

S

S

Proximity effect singles outintrinsic properties of molecules:Orbital statesSpin statesVibrational modesCorrelated states…

Enhances contrast thanks to thesuperconducting electrodes.