18 décembre 2017
Propriétés supraconductrices exotiques de nouveaux matériaux bidimensionnels
Contact : Julia Meyer
Propriétés supraconductrices exotiques de nouveaux matériaux bidimensionnels

(a) Le couplage spin-orbite de type Ising dans les monocouches TMDC agit comme un champ Zeeman effectif hors-plan avec des directions opposées dans les vallées K et K'.

Des chercheurs d’INAC/PHELIQS (CEA Grenoble) ont établi la théorie du champ magnétique critique dans une nouvelle classe de supraconducteurs bidimensionnels à fort couplage spin-orbite. Ces matériaux ont des propriétés intéressantes pour des applications potentielles en spintronique.

Les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) qui ont été découvertes récemment sont des semiconducteurs bidimensionnels (2D) avec un réseau cristallin hexagonal similaire au graphène, mais avec deux sites inéquivalents dans la maille élémentaire. Comme le graphène, ces matériaux présentent un degré de liberté de vallée et ont des minima/maxima de bandes de conduction/valence aux points K et K’=−K de la zone de Brillouin. En revanche, l'absence de symétrie d'inversion leur confère une large bande interdite directe, ce qui en fait des candidats prometteurs pour une nouvelle génération de transistors. Comme les TMDC sont formés avec des éléments lourds, ils présentent un très fort couplage spin-orbite intrinsèque, qui est souvent appelé couplage d’Ising, car il agit comme un champ Zeeman effectif perpendiculaire au plan des monocouches, avec des orientations opposées dans les deux vallées (voir figure a). Par conséquent, les bandes de spin se décalent fortement dans chaque vallée, ce qui permet d’envisager de nouvelles applications en spintronique et en « vallée-tronique ».

 
Propriétés supraconductrices exotiques de nouveaux matériaux bidimensionnels

(b) En l'absence de diffusion intervallée, le champ critique supérieur diverge à basse température (ligne continue). Une faible diffusion intervallée supprime cette divergence (ligne en pointillé). En présence d'une forte diffusion intervallée, on retrouve le champ critique supérieur d'un supraconducteur classique sans couplage spin-orbite (ligne en tiret). La courbe en trait mixte qui correspond à un taux de diffusion intervallée du même ordre de grandeur que le gap supraconducteur est proche des résultats expérimentaux dans MoS2.

 

 

Le couplage entre les degrés de liberté de spin et de vallée a également des répercussions remarquables sur les propriétés supraconductrices des TMDC dopés. Comme des expériences récentes l’ont montré, le champ magnétique critique supérieur dans le plan dépasse largement la valeur standard appelée limite de Pauli. Des chercheurs d’INAC/PHELIQS ont établi la théorie du champ critique supérieur dans les supraconducteurs d'Ising avec un désordre arbitraire, en supposant un appariement conventionnel singulet des paires de Cooper. Ils ont montré que la supraconductivité d'Ising entraîne une augmentation inhabituelle du champ critique. En l'absence de diffusion intervallée, le champ critique diverge à basse température (voir figure b). Lorsque la diffusion intervallée est significative, elle fournit un mécanisme efficace de diffusion avec renversement de spin qui conduit à la saturation du champ critique, en accord avec les résultats expérimentaux.

 

 

Comprendre le rôle des impuretés est important pour les applications futures des TMDC et leur incorporation dans des hétérostructures de van der Waals. Les techniques de dopage utilisées pour préparer les échantillons supraconducteurs, ainsi que les défauts dans le réseau cristallin pourraient être la source d'un désordre significatif. Ces résultats théoriques contribuent donc à évaluer leur potentiel pour des applications telles que la spintronique supraconductrice.

 

 

Ce travail a été soutenu par le Laboratoire d'excellence LANEF de Grenoble (ANR-10-LABX-51-01) et par l'ANR grâce au contrat ANR-16-CE30-0019.

 

Enhancement of the upper critical field in disordered transition metal dichalcogenide monolayers, S. Ilic, J.S. Meyer, and M. Houzet, Phys. Rev. Lett. 119, 117001 (2017).

 

Contacts : Julia Meyer, Manuel Houzet (INAC/PHELIQS)

 

 

 

Maj : 08/01/2018 (1277)

 

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