Laboratoire Charles Coulomb UMR 5221 CNRS/UM2 (L2C)

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Transitions isolant-métal-supraconducteur dans les dichalcogénures, vers les jonctions Josephson contrôlées électrostatiquement

par Christelle EVE - publié le , mis à jour le

Résumé :
Le but de ce stage s’ensuivant est d’étudier les propriétés électroniques de couches minces (quelques atomes d’épaisseur) de dichalcogénures. Parmi les propriétés multiples mises en évidence ces dernières années, nous nous intéresserons plus spécifiquement à la possibilité d’induire des transitions métal-isolant et métal-supraconducteur en modifiant le dopage de ces couches. Ce dopage sera contrôlé en utilisant des grilles électrostatiques et ioniques. D’autre part, les composants fabriqués à partir de ces matériaux seront ensuite sondées via des mesures de transport électronique conventionnelles (de 300 mK à 300 K, et de 0 à 13 T).
L’objectif de la thèse (financée via l’Agence Nationale de la Recherche) faisant suite à ce stage sera de développer des jonctions Josephson modulables in-situ en tension de grille à partir de ces matériaux. Les jonctions seront fabriquées par l’étudiant, avec l’objectif d’obtenir des jonctions dont la largeur ultime sera de quelques nanomètres de large. En parallèle, un système de mesure sera complété afin d’étudier ces échantillons de manière systématique en combinant transport électronique bas-bruit, basses températures, champ magnétique et excitations et mesures radiofréquences. Ces mesures permettront ainsi, d’une part, de mieux comprendre la supraconductivité bidimensionnelle, et non-conventionnelle, voire de mettre en évidence un régime supraconducteur topologique prédit théoriquement.

Poste :
L’étudiant fabriquera ses propres échantillons afin de comparer différents dichalcogénures (MoS2 et WS2) et différentes épaisseurs (de la monocouche atomique aux multicouches), avec l’objectif d’obtenir des jonctions Josephson dont la largeur ultime sera de quelques nanomètres de large. Celle-ci seront modulables grâce à plusieurs grilles localisées qui permettront d’ajuster indépendamment les différents domaines de la jonction. En parallèle, un système de mesure de magnétotransport dans un cryostat Helium 3 (300 mK) sera complété afin d’étudier ces échantillons de manière systématique en combinant transport électronique bas-bruit, contrôle de l’orientation du champ magnétique et excitations et mesures radiofréquences.

Profil du candidat :
Nous recherchons un/une stagiaire motivé(e) et dynamique, intéressé(e) par la physique expérimentale et plus particulièrement par les mesures électroniques ainsi que la nanofabrication. Une formation et un goût pour la physique du solide, et en particulier l’étude des propriétés électroniques de nouveaux matériaux (nanoscience, physique mésoscopique) seront appréciés. A la fin du stage il/elle aura acquis des compétences en physique expérimentale, mesures de petits signaux, cryogénie, et traitement des données (Matlab, Origin).

Projet et contexte :
Les dichalcogénures de métaux de transition ont connu un très fort regain d’intérêt ces dernières années suite à la mise en évidence de la possibilité de moduler les propriétés physiques des matériaux lamellaires en contrôlant leur nombre de couches monoatomiques. Dans ce projet, nous nous intéressons à la démonstration récente de transitions métal-isolant et métal-supraconducteur pouvant être obtenues grâce au contrôle du dopage par des grilles électrostatiques et ioniques (configuration transistor) [1]. De plus, ces matériaux présentent un très fort couplage spin-orbite dépendant du choix du matériau, de son nombre de couche et du champ électrostatique induit par la grille externe [2]. Ces mesures permettront ainsi de mieux comprendre la supraconductivité bidimensionnelle et non-conventionnelle, voire de mettre en évidence un régime supraconducteur topologique (nécessaire pour le calcul quantique avec des jonctions Josephson) prédit théoriquement.
D’autre part, les jonctions Josephson sont obtenues en séparant deux matériaux supraconducteurs par un « lien faible » obtenue en plaçant un matériau isolant, métallique ou encore en altérant une partie du matériau supraconducteur. Celles-ci sont ainsi très couramment utilisées pour la magnétométrie, ou encore la métrologie. Malgré ces applications, il reste extrêmement délicat d’obtenir de bonnes jonctions optimisées pour une application donnée. Ceci est dû en particulier à la difficulté de contrôler les interfaces entre les différents domaines formant la jonction, ou bien à maintenir la qualité de ces différents domaines. L’approche proposée dans ce projet permettra ainsi de proposer une nouvelle approche où les différents domaines de la jonction seront obtenus dans le même monocristal, dont la qualité ne sera pas directement affectée et dont les propriétés seront modulables in-situ.

Bibliographie :
[1] Ye, J. T. et al. Science 338, 1193–1196 (2012). Jo, S., Costanzo, D., Berger, H. & Morpurgo, A. F. Nano Lett. 15, 1197–1202 (2015).
[2] Saito, Y. et al. Nat. Phys. 12, 144–149 (2015).
Publications récentes du groupe :
A. Nachawaty et al., Phys. Rev. B 98, 045403 (2018). A. Nachawaty et al., Phys. Rev. B 96, 075442 (2017). R. Ribeiro-Palau et al., Nature Nanotech. 10, 965-972 (2015)

Encadrants :
Equipes SMC
Sébastien Nanot
Benoit Jouault


AIGLe

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