Visualization of chiral superconductivity in UPt3

Mon travail de thèse porte sur les mesures magnétiques à échelle local des supraconducteurs UPt3 et PdTe2 avec un microscope à SQUID.Un SQUID est un dispositif supraconducteur en forme de boucle avec un courant critique qui dépend du flux magnétique qui lui traverse, en ayant une périodicité de Phi0=2.07e-15 Wb (un quantum de flux). Le microscope a une régulation the champ proche, ce qui permet de mesurer la topographie de l’échantillon et balayer le SQUID a quelque centaines de nm de la surface.Pendant ces 3 ans, j’ai étudie principalement deux supraconducteurs: UPt3 and PdTe2.UPt3 est un fermion lourd (masses effectives des électrons sont plus large qu’un électron libre) qui devient supraconducteur à T_c=550 mK. Le diagramme de phase T-H présent 3 phases supraconductrices différentes, où le paramètre d’ordre change de symétrie. Cela peut arriver dans un supraconducteur chiral sous la présence d’un champ briseur de symétrie, qui est souvent attribué à l’ordre antiferromagnétique à T_N=5 K. Dans ce cadre, la phase à bas températures et à bas champs d’UPt3 présente deux états fondamentaux dégénérés, avec différente chiralité. Le matériau peut présenter soit un seul domaine d’un état fondamental qui couvre tout l’échantillon, soit plusieurs domaines de différente chiralité. Dans ce dernier cas, la distribution de champ magnétique autour de la parois de domaine n’est pas évidente: le flux magnétique a tendance à s’accumuler dans un coté de la parois de domaine tandis que l’autre coté présente une manque de flux, et l’existence de structures contenant une fraction du quantum de flux est possible. Cela est possible grâce à l’interaction des état supraconducteurs des deux domaines.Des domaines supraconducteurs ont été révélés dans la phase à bas champ-bas températures, avec des parois de domaines décorés par le flux magnétique. Cette distribution n’est possible que si il existe des autres courants que celles d’ecrantage: des courants chiraux. Dans cette même phase et à très bas champs, j’ai quantifié un vortex, ce qui nous a permit d’identifier des vortices portant la moitié d’un quantum de flux. Cela démontre l’état chiral de cette phase.L’autre compose est PdTe2, qui devient supraconducteur à une température de 1.6 K. Des mesures thermodynamiques et des expérimentes de rotation de spin de muons proposent supraconductivité de type-I, que c’est inusuel pour de composés binaires. Par contre, mesures de microscopie tunnel à balayage et de spectroscopie à contact sur point ont observé des vortex en supportant l’existence de supraconductivité de type-II.Les mesures réalisés avec notre microscope révèlent la présence d’état intermédiaire: zones normales (non supraconductrices) dans l’état supraconducteur, mais contenant plus qu’un quantum de flux. Quand le champ pénètre l’échantillon, le flux magnétique est arrangé en structures normales plus ou moins cylindriques qui tend à former un réseau. Par contre, en augmentant le champ appliqué, ces structures fusionnent et forment des bandes, qui augmentent de taille jusqu’à la supraconductivité disparaît. On a aussi fréquentement observé des zones supraconductrices enfermées par zones normales, cela s’appelle branchement. Les résultats de nos expériments sur PdTe2 montrent supraconductivité de type-I avec l’existence de l’état intermédiaire.Avec l’objective d’améliorer le microscope, j’ai aussi travaillé sur le développement de nouvelles sondes. Les SQUIDs actuels sont hystérétiques à cause de l’haute résistance, ce qui implique une méthode de mesure très lente. Les nouveaux SQUIDs auront un couche métallique en parallèle de la couche supraconductrice: SQUIDs shuntés, ce qui réduit énormément la résistance et simplifie la méthode de mesure. La sensibilité de SQUIDs mesures est ordres de magnitude pire que celle des travaux préliminaires et elle est au niveau des SQUIDs hystérétiques. Le développement de ces SQUIDs doit être continué.During my thesis I explored the superconducting state of UPt3 and PdTe2 using a scanning SQUID microscope.UPt3 is a heavy fermion (large effective electron masses) compound that orders weakly antiferromagnetically at T_N=5 K before it becomes superconducting at T_c=550 mK. Its unique T-H phase diagram presents 3 superconducting phases. The superconducting order parameter changes its symmetry in each phase. This may be explained by chiral superconductivity in presence of a symmetry breaking field (SBF). The antiferromagnetic order can play the role of the SBF. In this framework, the low-temperature and low-field phase should present two degenerated ground states of different chirality. If the material presents multiple domains of opposite chirality. the magnetic field distribution around the domain wall should reveal complex flux structures such as fractional vortices (structures containing fractions of the quantum of flux (h/2e)) or magnetic flux accumulations on one side of the domain wall and a lack of flux on the other side.The scanning SQUID microscopy (SSM) allowed me to reveal superconducting domains in the low field-low temperature phase, with domain walls decorated with magnetic flux. This field distribution is only possible if there exist additional currents to the screening currents: chiral currents. In this phase and at very low fields, precise flux measurements allowed me to identify structures carrying 1/2 quanta of flux. These results are the first direct experimental evidence for the formation of a chiral state in the B phase of UPt3.PdTe2 is a transition metal dichalcogenide that becomes superconducting at T_c = 1.6 K. Thermodynamic and muon spin rotation experiments proposed type-I superconductivity, which is unusual for binary compounds. However STM and Point Contact Spectroscopy observed vortices supporting the existence of type-II superconductivity.The SSM allowed me to undertake flux pinning measurements and to image the different flux topologies after cooling under magnetic field or applying the magnetic field after zero field cooling. The presence of the intermediate state was thus revealed via the visualization of coexisting superconducting and normal regions. The normal regions carry more than one quantum of flux. When the magnetic field enters the sample, the magnetic flux is arranged in more or less tubular structures that tend to form a lattice. However, when increasing the applied field, these structures fuse and form laminae, that increase in size until the superconducting state disappears. The observations are hallmarks of the intermediate state of a type-I superconductor. The magnetic field amplitudes above the normal regions are reduced compared to the critical field in the bulk. This effect of spreading of the flux at the crystal’s surface has been predicted by Landau for laminar flux arrangements. Our data call for an extension of this model to take into account this effect also for low field tubular flux structures.I worked on the improvement of the SQUID detector. Our currently scanning SQUIDs are hysteretic due to the local heating at the narrow microbridges when their critical current (Ic) is reached. Before the next Ic measurement the SQUID has to be become superconducting again, which implies a slow measurement cycle. The new SQUIDs have a metallic layer shunting the superconducting layer, reducing the normal state resistance of the SQUID and allows for a continuous measurement method.Based on prior results on Nb/W SQUIDs I adapted the layout for the SSM. As we took care to leave the W layer unetched the shunt resistance was low and the voltage signal weak. The measured flux noise was much lower than prior results and comparable to the noise of the present hysteretic SQUIDs. Possible routes to higher sensitivity are reduction of the shunt thickness, voltage biasing and the installation of a cryogenic current amplifier