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Fluctuations du courant à l’échelle atomique — médaille de bronze du CNRS


Les interactions entre électrons sont à l’origine de propriétés électroniques remarquables en physique des solides. Puisque ces interactions ont généralement lieu sur de courtes échelles de temps, une mesure des propriétés moyennes dans le temps manque souvent d’informations cruciales. Afin d’accéder aux interactions et à la dynamique des électrons, Freek Massee, en collaboration avec des membres du groupe NS2 du LPS et des chercheurs du C2N, a mis au point un microscope à effet tunnel entièrement conçu et fabriqué au laboratoire équipé d’un circuit qui permet de mesurer les fluctuations du courant tunnel avec une résolution spatiale atomique [1].

En utilisant ce nouvel instrument, ils ont étudié le supraconducteur à haute température Bi2Sr2CaCu2O8+x. Dans ce matériau, la supraconductivité est obtenue en ajoutant des atomes d’oxygène, ou dopants, au système. Ils ont découvert que le bruit du courant tunnel est augmenté d’au moins un ordre de grandeur pour un nombre choisi de ces dopants d’oxygène [2]. Cette forte augmentation du bruit indique une dynamique de charge non conventionnelle résultant de l’ionisation des dopants, qui n’est généralement observée que dans les systèmes semi-conducteurs. L’ionisation de ces dopants ouvre de nouvelles voies pour contrôler le dopage à l’échelle atomique en fonction du temps, permettant la visualisation directe de la charge locale sur, par exemple, la supraconductivité à haute température.

A gauche : Microscope à effet tunnel (STM) à bruit de grenaille développé et construit au LPS. Ce microscope unique est équipé d’une électronique à froid qui permet de mesurer le courant tunnel et ses fluctuations. Il nous a permis de visualiser la dynamique inattendue des charges sur un nombre choisi d’atomes d’oxygène dans le supraconducteur à haute température. A droite : En utilisant le champ électrique de la pointe du microscope à effet tunnel, les atomes de bismuth à la surface de Bi2Sr2CaCu2O8+x peuvent être manipulés de manière réversible. Suite à cette manipulation d’un seul atome, le gap dans le spectre d’excitations est augmentée dans la direction du déplacement atomique, alors qu’elle n’est pas affectée à distance du site manipulé.

En outre, en tirant parti du champ électrique entre la pointe et l’échantillon dans ce microscope, Massee et ses collègues ont découvert qu’il est possible de déplacer sélectivement les dopants oxygène individuels et les atomes de bismuth de surface. Comme ces manipulations d’atomes uniques sont non invasives et réversibles, elles permettent de réaliser des études de spectroscopie locale avant et après la manipulation. Cette technique élimine donc efficacement les inhomogénéités de l’environnement et donne un aperçu direct de l’effet d’un seul atome sur les propriétés électroniques locales. Bien que la manipulation des dopants oxygénés bruyants ait peu d’effet, ils ont découvert qu’en déplaçant des atomes de bismuth à la surface de Bi2Sr2CaCu2O8+x, le gap dans le spectre d’excitations associé à la force locale de la supraconductivité peut être directement manipulé [3]. Cela suggère que l’appariement est sensible à la position d’un seul atome, ce qui permet de mieux comprendre le mécanisme à l’origine de la supraconductivité dans ces systèmes.

Références
[1] Atomic scale shot-noise using cryogenic MHz circuitry
F. Massee, Q. Dong, A. Cavanna, Y. Jin and M. Aprili
Review of Scientific Instruments 89, 093708 (2018)
https://doi.org/10.1063/1.5043261

[2] Noisy defects in the high-Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+x
F. Massee, Y. K. Huang, M. S. Golden and M. Aprili
Nature Communications 10, 544 (2019)
https://doi.org/10.1038/s41467-019-08518-1

[3] Atomic manipulation of the gap in Bi2Sr2CaCu2O8+x
F. Massee, Y. K. Huang and M. Aprili
Science 367, 68-71 (2020)
https://doi.org/10.1126/science.aaw7964

Contact
Freek Massee

Freek Massee est lauréat de la médaille de bronze du CNRS
Laurent Ardhuin pour le CNRS