Accueil > Français > Actualité

Mesure de la durée de vie des accumulations de spin dans des supraconducteurs dans le domaine des fréquences


Dans les supraconducteurs conventionnels, l’état fondamental est constitué de « paires de Cooper » d’électrons dans un état de singulet de spin, tandis que les excitations du système sont des quasiparticules de Bogolyubov. Ces quasiparticules sont des fermions de spin-1/2 ; cependant, contrairement aux électrons, leur vitesse de groupe et leur charge dépendent de l’énergie. En particulier, au niveau du gap supraconducteur, les deux sont nulles.

Les populations hors d’équilibre de quasiparticules dans les supraconducteurs ont été étudiées en long et en large depuis l’avènement des technologies de films minces dans les années 1960, dans des dispositifs de taille millimétrique. Un renouveau d’intérêt a été récemment stimulé par les performances des circuits quantiques à base de supraconducteurs de taille submicronique. Malgré cela, le degré de liberté de spin des quasiparticules avait peu attiré l’attention.

Il y a quelques années, simultanément mais indépendamment d’une autre équipe à l’Institut de technologie de Karlsruhe, nous (l’équipe « Nanostructures à la Nanoseconde ») avons démontré l’existence d’une accumulation de spin d’une longue durée de vie (τs 10ns), presque sans accumulation de charge, dans la population des quasiparticules d’un supraconducteur mésoscopique dont la densité d’états était dédoublé par effet Zeeman. Cette accumulation résulte de l’équilibre dynamique entre une injection de spin (grâce à l’effet Zeeman) et sa relaxation. La durée de vie de l’accumulation de spin a ensuite été estimée à partir d’un ajustement du signal de spin non local en fonction du courant, ou de la tension d’injection de quasiparticules à fréquence nulle.

Nous avons maintenant confirmé cette estimation de manière indépendante avec des mesures en fréquence. L’idée de notre expérience est la suivante : dans un supraconducteur, soumis à un champ Zeeman, nous injectons des quasiparticules polarisées en spin, à une fréquence finie frf = ω/2π tout en mesurant la moyenne temporelle du signal non local dû à l’accumulation de spin qui en résulte S(ω,t). On observe une coupure à ω ≈ α /τs, α étant une constante proche de 1, en accord avec la théorie. Cette coupure est visible grâce à la caractéristique courant-tension hautement non linéaire de notre détecteur. La dépendance de τs en fonction de l’épaisseur, ainsi que sa valeur, suggèrent que la durée de vie de l’accumulation de spin est limitée par les collisions électron-électron.

(a) Micrographie électronique à balayage d’un dispositif typique (barre d’échelle = 1 μm) et dessin schématique du montage de mesure. S = supraconducteur (film Al de 8,5 nm d’épaisseur avec un oxyde natif), N = métal normal (100 nm Al), F = ferromagnétique (40 nm Co, avec une couche de protection d’Al 4,5 nm). L’oxyde natif de S constitue des barrières tunnels entre S et toutes les autres électrodes. Des quasiparticules sont injectés dans S par l’application d’une tension Vdc à la jonction J1. Celles-ci sont polarisées en spins grâce au champ Zeeman dans S. La tension non locale Vnl et le signal différentiel dVnl/dVdc associé sont mesurés entre F et S (à J2) en fonction du champ magnétique et la température, ainsi qu’en fonction de l’amplitude Vrf et la fréquence frf = ω/2π des tensions de haute fréquence (1–50 MHz) appliqués à l’électrode d’injection. La conductance locale dI/dVdc est mesurée simultanément à l’électrode d’injection.
(b), (c) Respectivement, conductance locale dI/dVdc mesurée à J1 et signal différentiel non local dVnl/dVdc mesuré à J2 en fonction de Vrf avec frf = 1 MHz et H = 680 mT (traits pointillés). La valeur de Vrf donnée ici est la celle de la sortie du générateur. La Vrf au niveau du dispositif peut être estimée de la rectification classique des motifs dans la courbe à Vrf = 0. Les traits pleins sont des calculs prenant en compte la densité d’états supraconducteurs extraite de la conductance locale mesurée à Vrf = 0 ; ils sont en accord qualitative avec les données.
(d) Signal non local différentiel dVnl/dVdc mesuré à J2, en fonction de Vdc, avec injection à J1 et une excitation haute fréquence d’amplitude constante (≈250 μV au niveau du dispositif) à frf = 1 et 50 MHz.
(e) dVnl/dVdc aux valeurs de Vdc indiquées dans la Figure (d), en fonction de frf. Nous prenons la différence de pics “opposants” pour obtenir la partie antisymétrique du signal, qui est due au spin. Des ajustements des données à des calculs numériques donnent τs = 3.2 (P4-P1) et 6.4 ns (P3-P2) avec une erreur d’ajustement de 10%–20%. Notez que la coupure ne se produit pas exactement à 1/(2πτs).

Référence

Frequency domain measurement of the spin-imbalance lifetime in superconductors
C. H. L. Quay, C. Dutreix, D. Chevallier, C. Bena, and M. Aprili
Physical Review B 93, 220501R (2016)
DOI:10.1103/PhysRevB.93.220501

Contact

Charis Quay Huei Li