Effet Josephson et fluctuations dans les supraconducteurs à haute température critique

Ce rapport rassemble un certain nombres d’expériences poursuivies depuis fin 1995 autour des supraconducteurs à haute température critique (SHTC). Nous avons essentiellement étudié l’effet Josephson (intrinsèque ou bien ex- trinsèque), l’injection d’un courant polarisé en spin dans un supraconducteur par différentes techniques et le régime de fluctuations des SHTC à la transi- tion en température ou bien en champ magnétique.Nous nous sommes tout d’abord intéressés à l’effet Josephson intrinsèque dans des monocristaux de Bi2Sr2CaCu2O8+d sur lesquels nous avons réalisé des mesas. Ce phénomène, tout-à-fait remarquable, intéressait beaucoup la communauté des SHTC tant du point de vue des possibilités qu’il ouvrait en termes d’applications (oscillateurs, détecteurs à effet Josephson) que du point de vue de la physique fondamentale. Nous avons mis en évidence la présence à champ nul de vortex Josephson dus au courant de mesure qui ont pour effet de diminuer le courant critique d’un mesa et de produire du "flux-flow" (chapitre 1).Si ces mesures présentent un certain intérêt pour l’étude de jonctions Jo- sephson couplées, en revanche elles se sont révélées moins intéressantes pour l’étude du diagramme de phase des SHTC et en particulier du pseudogap. En effet, lorsque l’on fait varier le dopage, on modifie non seulement le nombre de porteurs de charge dans les plans Cu-O mais également la conductance des "barrières Josephson" que sont les blocs réservoirs. On modifie donc non seulement l’objet de l’étude mais l’instrument également.Nous avons ensuite étudié des super-réseaux supraconducteur /isolant du type (Y Ba2Cu3O7−δ )n /( P rBa2Cu3−xGaxO7 )m, travail que nous ne présentons pas ici pour ne pas alourdir le manuscrit. Dans ces super-réseaux, nous avons mis en évidence un sous-dopage des couches supraconductrices qui varie avec les épaisseurs de PrBa2Cu3−xGaxO7. Des effets qui avaient été attribués à un cross-over 3D/2D en fonction des épaisseurs relatives des couches ont été démontrés se trouver dus à un effet de diffusion d’oxygène de Y Ba2Cu3O7−δ vers P rBa2Cu3−xGaxO7 [72].Nous nous sommes ensuite tournés vers le problème de l’injection de spin dans les supraconducteurs à haute température critique. Des équipes avaient annoncé avoir réalisé la réduction d’un courant critique par l’injec- tion d’un courant polarisé en spin. Dans le contexte de l’émergence de la spintronique, cette expérience ouvrait la perspective alléchante d’un dispo- sitif à trois bornes. Nous avons montré qu’avec les géométries décrites dans la littérature, il était impossible d’observer un tel effet à moins de dispo- ser de longueur de relaxation de spin millimétriques dans les SHTC, alors que la meilleure estimation donnait 0.1μm [93]. Nous avons reproduit l’expé- rience dans une géométrie mieux contrôlée et montré que les effets observés ne pouvaient qu’être des effets thermiques[30]. Voir chapitre 2.Nous avons alors cherché à revenir à un système modèle et nous avons tout d’abord mesuré par spectroscopie tunnel la densité d’état d’un supra- conducteur conventionnel (Nb) soumis à l’injection d’un courant polarisé en spin. Nous avons observé des effets hors-équilibre de quasiparticules chaudes lorsque l’électrode d’injection était ferromagnétique et des effets beaucoup plus faibles lorsque l’électrode était non magnétique. Nous avons conclu à un effet de "spin bottleneck", c’est-à-dire de blocage de la recombinaison par la polarisation en spin. Nous avons montré que cet effet n’est observable qu’en raison de la séparation spin-charge, inhérente aux quasiparticules de Bogoliubov [74]. Voir chapitre 3.Deux longs chapitres (4 et 5) sont ensuite consacrés à la description de diverses expériences de mesure de la paraconductivité dans les SHTC. En effet, dans le régime sous-dopé des cuprates supraconducteurs, un gap dans le spectre des excitations de l’état normal s’ouvre à haute température, bien au-dessus de la température critique. Diverses théories sont proposées pour rendre compte de ce phénomène, dont certaines supposent que les paires de Cooper sont en réalité "préformées" à plus haute température et n’acquièrent de cohérence à longue portée qu’à TC . La forme que revêtent alors les fluctuations thermodynamiques au-dessus de TC est cruciale pour distinguer entre fluctuations de phase et fluctuations de l’amplitude du paramètre d’ordre.Nous avons réalisé des expériences dans des films minces d’Y Ba2Cu3O7−δ proches du dopage optimal, ainsi que dans des films de La2−xSrxCuO4 très sous dopés (x=0.09). Pour ces derniers, nous avons utilisé un champ magné- tique intense pulsé pour détruire la supraconductivité et connaître la résisti- vité de l’état normal, en collaboration avec J. Vanacken et V.V. Moshchalkov à l’Université Catholique de Leuven. Dans tous les cas, nous avons observé des fluctuations gaussiennes de l’amplitude du paramètre d’ordre. Et par ailleurs nous avons mis en évidence une loi de puissance en T pour ces fluc- tuations à haute température, que nous avons montrée être équivalente à une coupure en énergie dans le spectre des fluctuations [73] [76].En collaboration avec M. Grilli et S. Caprara de l’université de La Sapienza à Rome, nous avons étudié les conditions d’universalité des fluctua- tions supraconductrices gaussiennes à deux dimensions (chapitre 4).Nous avons enfin étudié, toujours en collaboration avec l’université de Leuven, la transition supraconducteur/isolant sous champ magnétique intense et montré que l’on ne peut exclure pour cette transition l’existence d’un point critique quantique, ce qui est présenté au chapitre 6.En collaboration avec T.K Ng (Université de Hong-Kong) et C.M. Varma (UC Riverside, USA), nous avons montré que des supraconducteurs qui brisent simultanément la symétrie par renversement du temps et la symétrie centrale sont le siège d’un effet Josephson "extraordinaire" dont le courant critique os- cille mais ne décroît pas avec le champ, ce qui est exposé au chapitre 7. Cette expérience permet donc d’établir un couplage mixte singulet/triplet dans cer- tains matériaux. (En effet l’absence de centre de symétrie rend caduque la distinction entre couplage singulet et triplet.) Ceci trouve des applications pour le composé à fermions lourds non-centrosymétrique CePt3Si mais aussi fort probablement pour la phase sous-dopée des cuprates supraconducteurs [75]