Courant supraconducteur au travers d'un métal ferromagnétique : étude de la jonction pi

Membres du jury: Daniel Esteve (rapporteur) Marco Aprili (rapporteur) Laurent Levy (president) Alexandre Buzdin (examinateur) Bernard Dieny (examinateur) Roberto Calemczuk (directeur de these) Claire Baraduc (co-directeur de these)This work studies different aspects of the proximity effect between a superconductor (S) and a ferromagnetic metal (F). In a normal metal confined between two superconducting electrodes, bound states appear and electron pairs (with opposite spins) can be transferred in a coherent way. The supercurrent carried by these states depends on the phase difference $\phi$ between the two superconductors. In an S/F/S junction, the ferromagnetic exchange energy modifies the bound states spectrum and can reverse the direction of the supercurrent (compared to the S/N/S case). The ground state phase difference is then $\phi=\pi$ (instead of $\phi=0$) and the junction is called a $\pi$-junction. The 0-$\pi$ crossover can be observed as a function of the ferromagnetic thickness, but also as a function of the temperature if the exchange energy is not much larger than the superconducting gap. The 0-$\pi$ crossover is revealed by a non-monotonic dependence of the critical current versus temperature, as we experimentally observed in Nb/Cu$_{52}$Ni$_{48}$/Nb junctions. To obtain this result, we used a very weakly ferromagnetic copper-nickel alloy near the super-paramagnetic limit. The critical current vanishes as a function of the temperature at a value $T^*$ (less than $T_c$): below $T^*$ the junction is in the $\pi$-state, above $T^*$ it is in the 0-state. This behavior is independent of the magnetic field that produces diffraction patterns always centered at zero field. The alternative Josephson effect studied on both sides of the 0-$\pi$ crossover does not provide any difference between the two states. The dependence of the critical current with the ferromagnetic thickness and with temperature can be understood using the Usadel equations. This analysis suggests that a spin-flip diffusion process strongly reduces the critical current amplitude. S/F bilayers also have bound states whose spectrum depends on the ferromagnetic exchange energy and thickness. The superconducting transition temperature exhibits oscillations as a function of these two parameters, because it is sensitive to the energy of these states via the inverse proximity effect. We measured a small signature of this effect in Nb/CuNi bilayers. In F$_1$/S/F$_2$ trilayers, similar to spin-valves, the transition temperature should theoretically depend on the relative direction of the ferromagnetic magnetizations. However we did not measure any difference neither in NiO/Co/Nb/Co nor in NiO/CuNi/Nb/CuNi multilayers, because the niobium thickness below which the superconductivity disappears is several times larger than the coherence length. This saturation of the critical thickness is attributed to a spin-flip process in this very dilute alloy.Cette thèse étudie quelques aspects de l'effet de proximité entre un supraconducteur (S) et un métal ferromagnétique (F). Dans un métal normal confiné entre deux électrodes supraconductrices, il se forme des états liés qui permettent le passage cohérent de paires d'électrons (de spins opposés). Le supercourant transporté par ces états dépend de la différence de phase $\phi$ entre les deux supraconducteurs. Dans le cas d'une jonction S/F/S, l'énergie d'échange ferromagnétique modifie le spectre des états liés et peut inverser la direction du supercourant (par rapport au cas S/N/S). En l'absence de courant, l'état fondamental a alors une différence de phase $\phi=\pi$ (au lieu de $\phi=0$) et l'on parle de {\it jonction $\pi$}. La transition 0-$\pi$ peut s'observer en fonction de l'épaisseur ferromagnétique, mais également en fonction de la température si l'énergie d'échange n'est pas beaucoup plus grande que le gap supraconducteur. Cette transition se caractérise par une dépendance non-monotone du courant critique avec la température, comportement que nous avons observé dans des jonctions Nb/Cu$_{52}$Ni$_{48}$/Nb. Dans ces jonctions la couche de cuivre-nickel est très faiblement ferromagnétique, voire super-paramagnétique. Le courant critique s'annule en fonction de la température à une valeur $T^*$ (inférieure à $T_c$): en-dessous de $T^*$ la jonction est dans l'état~$\pi$, au-dessus de $T^*$ elle est dans l'état~0. L'annulation est indépendante du champ magnétique qui produit une figure de diffraction toujours centrée en champ nul. L'effet Josephson alternatif étudié de part et d'autre de la transition 0-$\pi$ ne montre pas de différence entre les deux états. L'évolution du courant critique avec l'épaisseur ferromagnétique et la température peut être modélisée à partir des équations d'Usadel. Cette analyse suggère la présence d'un processus de diffusion spin-flip qui réduit fortement l'amplitude du courant critique. Les bicouches S/F présentent également des états liés dont le spectre est fonction de l'énergie d'échange et de l'épaisseur ferromagnétique. La température de transition supraconductrice présente des oscillations en fonction de ces deux paramètres, car elle est sensible à la position de ces états via l'effet de proximité inverse. Nous avons pu mesurer une faible signature de cet effet dans des bicouches Nb/CuNi. Dans les tricouches F$_1$/S/F$_2$, de type vanne de spin, la température de transition doit en théorie dépendre de l'orientation relative des aimantations ferromagnétiques. Cependant nous n'avons mesuré aucune différence dans des multicouches NiO/Co/Nb/Co, puis NiO/CuNi/Nb/CuNi, car l'épaisseur de niobium en-dessous de laquelle la supraconductivité disparaît reste plusieurs fois supérieure à la longueur de cohérence. Cette saturation de l'épaisseur critique est attribuée à un fort processus de diffusion spin-flip dans cet alliage très dilué