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Destruction of superconductivity in disordered materials : a dimensional crossover
The disorder-induced Superconductor-to-Insulator Transition in amorphous
NbSi two-dimensional thin films is studied for different niobium
compositions through a variation of the sample thickness . We show that
the critical thickness , separating a superconducting regime from an
insulating one, increases strongly with diminishing , thus attaining values
of over 100 {\AA}. The corresponding phase diagram in the plane is
inferred and related to the three-dimensional situation. The two-dimensional
Superconductor-to-Insulator Transition well connects with the three-dimensional
Superconductor-to-Metal Transition
Magnetic field-induced quantum superconductor-insulator transition in
A study of magnetic-field tuned superconductor-insulator transitions in
amorphous thin films shows that quantum
superconductor-insulator transitions are characterized by an unambiguous
signature -- a kink in the temperature profile of the critical magnetic field.
Using this criterion, we show that the nature of the magnetic-field tuned
superconductor-insulator transition depends on the orientation of the field
with respect to the film. For perpendicular magnetic field, the transition is
controlled by quantum fluctuations with indications for the existence of a Bose
insulator; while for parallel magnetic field, the transition is classical,
driven by the breaking of Cooper pairs at the temperature dependent critical
field .Comment: 5 pages, 4 figure
Nernst effect as a probe of superconducting fluctuations in disordered thin films
In amorphous superconducting thin films of and ,
a finite Nernst coefficient can be detected in a wide range of temperature and
magnetic field. Due to the negligible contribution of normal quasi-particles,
superconducting fluctuations easily dominate the Nernst response in the entire
range of study. In the vicinity of the critical temperature and in the
zero-field limit, the magnitude of the signal is in quantitative agreement with
what is theoretically expected for the Gaussian fluctuations of the
superconducting order parameter. Even at higher temperatures and finite
magnetic field, the Nernst coefficient is set by the size of superconducting
fluctuations. The Nernst coefficient emerges as a direct probe of the ghost
critical field, the normal-state mirror of the upper critical field. Moreover,
upon leaving the normal state with fluctuating Cooper pairs, we show that the
temperature evolution of the Nernst coefficient is different whether the system
enters a vortex solid, a vortex liquid or a phase-fluctuating superconducting
regime.Comment: Submitted to New. J. Phys. for a focus issue on "Superconductors with
Exotic Symmetries
Effect of annealing on the superconducting properties of a-Nb(x)Si(1-x) thin films
a-Nb(x)Si(1-x) thin films with thicknesses down to 25 {\AA} have been
structurally characterized by TEM (Transmission Electron Microscopy)
measurements. As-deposited or annealed films are shown to be continuous and
homogeneous in composition and thickness, up to an annealing temperature of
500{\deg}C. We have carried out low temperature transport measurements on these
films close to the superconductor-to-insulator transition (SIT), and shown a
qualitative difference between the effect of annealing or composition, and a
reduction of the film thickness on the superconducting properties of a-NbSi.
These results question the pertinence of the sheet resistance R_square as the
relevant parameter to describe the SIT.Comment: 9 pages, 12 figure
Etude des états fondamentaux dans des systèmes supraconducteurs désordonnés de dimension 2
An initially superconducting 3D material can have different ground states, depending on its disorder : superconducting, metallic or insulating. At lower dimensionality, Anderson localization theoretically forbids any metallic state. A change in disorder then induces a direct Superconductor-to-Insulator Transition (SIT). The presence of strong Coulomb interactions, which are not taken into account in conventional theories, may disrupt this paradigm and enable the emergence of 2D metallic phases, thus complicating the generally admitted picture for the SIT. Indeed, recent work has revealed the existence of two distinct metallic phases in a-NbxSi1-x thin films, in between the superconducting and insulating states.During this work, we have studied the low frequency transport properties of amorphous NbxSi1-x films at low temperatures (T<1K), in order to characterize the evolution of their ground state with disorder. In our films, disorder has been tuned by varying the heat treatment temperature, the thickness or the composition. We have then focused on the destruction of these metallic states, giving rise to an insulating state. Through the analysis of conduction laws in the insulating regime, we have quantified the evolution of its properties – in particular its characteristic energies – as disorder is varied. We could then conclude that the insulating phase can essentially be accounted for by a fermionic model. At lower disorder level, in the 2D metallic phase neighboring the insulator, we have evidenced precursor signs of the insulating state which continuously evolve until and through the 2D Metal-to-Insulator Transition. We offer an interpretation of all our results implying the existence of two parallel channels which relative importance is determined by the sample disorder level : one is fermionic, the other governed by superconducting fluctuations which persist even when the macroscopic phase coherence is lost. The metallic state is then dominated by the latter, whereas, in the insulator, fermionic excitations prevail.In a second part, we report on the experimental development of a calibration device for the broadband reflectometry measurement of thin films at microwave frequencies (GHz) and low temperatures (T<4K). This apparatus aims at measuring, during a single cool down, the reflection of known references as well as of the sample. The obtained calibration enables to obtain the absolute value of the films complex impedance, independently of the microwave environment. The results obtained on superconducting Vanadium films, compared with theories of superconductivity, enabled a first validation of the setup and of its working principle. This calibration device is therefore operational to measure more complex systems, such as thin films in the vicinity of the SIT.Un matériau 3D, initialement supraconducteur, peut avoir différents états fondamentaux dépendamment de son degré de désordre : supraconducteur, métallique ou isolant. A dimension réduite (2D), la localisation d’Anderson interdit théoriquement tout état métallique. La modification du désordre induit alors une Transition directe Supraconducteur-Isolant (TSI). La présence de fortes interactions électroniques, non prises en compte dans les théories conventionnelles, pourrait cependant remettre en cause ce paradigme et laisser émerger des états métalliques 2D, complexifiant l’image généralement admise de la TSI. Ainsi, des travaux récents ont révélé la présence de deux phases métalliques distinctes dans les films minces de a-NbxSi1-x, s’intercalant entre les états supraconducteur et isolant.Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés de transport électronique à basse fréquence et à très basse température (T<1K) de films minces de NbxSi1-x amorphes afin de caractériser l’évolution de l’état fondamental en fonction du désordre. Celui-ci a été modifié dans nos films en jouant sur la température de recuit, l’épaisseur et la composition. Nous nous sommes alors attardés sur la destruction de ces états métalliques vers un état isolant. L’analyse des lois de conduction dans le régime isolant nous a permis de quantifier l’évolution de ses propriétés – notamment des énergies caractéristiques – en fonction du désordre. Nous avons alors pu conclure que la phase isolante pouvait être essentiellement décrite par un modèle fermionique. A moindre désordre, dans la phase métallique 2D adjacente à l’isolant, nous avons mis en évidence des signes précurseurs de l’état isolant qui évoluent continument jusqu’à et à travers la Transition Métal 2D-Isolant. Nous proposons une interprétation de l’ensemble de nos résultats impliquant deux canaux parallèles dont l’importance relative est déterminée par le désordre : l’un est fermionique, l’autre gouverné par des fluctuations supraconductrices qui persistent même lorsque la cohérence macroscopique a disparu. L’état métallique est alors dominé par ces dernières, alors que, dans l’isolant, la localisation des excitations fermioniques l’emporte.Une seconde partie de la thèse s’est concentrée sur le développement expérimental d’un dispositif de calibration large bande dédié à l’étude de films minces en réflectométrie haute fréquence (GHz) à basses températures (T<4K). Ce dispositif a pour but, lors d’une unique mise à froid, de mesurer successivement la réflexion de références connues ainsi que de l’échantillon. La calibration obtenue permet ainsi de s’affranchir de l’environnement micro-onde et d’obtenir la valeur absolue de l’impédance complexe de ces films. Les résultats obtenus sur des films minces supraconducteurs de Vanadium, comparés aux théories de la supraconductivité, permettent une première validation du dispositif et de son principe de fonctionnement en vue d’une utilisation sur des systèmes plus complexes, tels que les films minces proches de la TSI
Étude des transitions de phases quantiques supraconducteur -- isolant, métal -- isolant dans des matériaux amorphes désordonnés proches de la dimension 2
The understanding of the effect of disorder on the superconductivity remains a major issue in solid state physics. This problem involves the competition between the disordered-induced localization that leads to an insulator and the formation of the Cooper pairs that leads to an infinite conductivity. These effects are dramatic in dimension 2, the lower dimension for the existence of either a metal or a superconductor. The system is often described by a Superconductor -- Insulator Transition (SIT) and is interpreted as a Quantum Phase Transitions, that occur at and induced by a parameter crossing a critical value. Among these parameters, for example intrinsic to the system, we can cite the electronic density of state, the microscopical disorder and the thickness. The NbSi alloy is of great interest for the study of the SIT. The material is homogeneous and amorphous down to 2.5nm and up to 250 of annealing. We observed a SIT induced by the composition, the annealing and the thickness, that we compared to the fermionic theories (Finkel'stein) relying on the weakening of the superconductivity by disorder, and the bosonic theories (Dirty Boson Model, Fisher), relying on the Cooper pairs localization. Theses experiments undermine the idea that a unique parameter such as the sheet resistance or the product of the Fermi wave vector and the electron mean free path can describe all disorder. They especially outline the specific effect of the thickness. Moreover, we study the metallic state that appears at the lowest temperature between the superconductive and the insulating states, that contradicts the dogma according to which no metal can exist at 2D. The phase diagram we obtain with these samples is well interpreted with the Bose Metalconcept of Das Doniach. The NbSi is thus a promising system for an advance study of this new metallic state.La compréhension du rôle du désordre sur la supraconductivité reste un problème fondamental de la physique du solide. Ce sujet illustre la compétition entre les phénomènes de localisation par le désordre qui conduisent à des isolants et la formation de paires de Cooper qui conduit à une conductivité infinie. Ces effets prennent un caractère spectaculaire en dimension 2, dimension limite pour l'existence de l'état métallique ou de l'état supraconducteur. Généralement le système décrit une Transition directe Supraconducteur -- Isolant (TSI) qui a les caractéristiques d'une Transition de Phase Quantique, transitions définies à T=0 et provoquées par le franchissement d'une valeur critique par le paramètre moteur de la transition. Parmi ces paramètres (intrinsèques au système), on peut citer la densité d'états électroniques, le désordre microscopique et l'épaisseur. L'alliage Nb(x)Si(1-x) est un matériau particulièrement intéressant pour l'étude de cette TSI. Le matériau est amorphe et homogène jusqu'à des épaisseurs de 2,5 nm et des températures de recuit de 250°C et nous observons une TSI induite par la composition, le recuit et l'épaisseur, que nous avons étudiée par rapport aux théories fermionique (Finkel'stein) d'affaiblissement de la supraconductivité par le désordre et bosonique (Dirty Boson Model de Fisher) s'interprétant par la localisation des paires de Cooper. Ces expériences remettent en cause la possibilité de réduire la mesure du " désordre " par un unique paramètre tel que la résistance carrée ou le produit k_F l du vecteur d'onde de Fermi par le libre parcours moyen électronique. En particulier, elles soulignent l'effet spécifique de l'épaisseur. Par ailleurs, pour certaines valeurs des paramètres, nous observons une phase " métallique " qui apparaît à très basse température entre les phases supraconductrices et isolantes, contredisant les théories de la non-existence d'un métal à 2D. Nous avons montré que le diagramme de phase associé à ces échantillons pouvait s'interpréter en introduisant le concept de " métal de Bose", prédit par Das & Doniach. Le Nb(x)Si(1-x) est donc un système prometteur pour l'étude plus approfondie de ce nouvel état métallique
Disorder induced multifractal superconductivity in monolayer niobium dichalcogenides
The interplay between disorder and superconductivity is a subtle and
fascinating phenomenon in quantum many body physics. The conventional
superconductors are insensitive to dilute nonmagnetic impurities, known as the
Anderson's theorem. Destruction of superconductivity and even
superconductor-insulator transitions occur in the regime of strong disorder.
Hence disorder-enhanced superconductivity is rare and has only been observed in
some alloys or granular states. Because of the entanglement of various effects,
the mechanism of enhancement is still under debate. Here we report
well-controlled disorder effect in the recently discovered monolayer NbSe
superconductor. The superconducting transition temperatures of NbSe
monolayers are substantially increased by disorder. Realistic theoretical
modeling shows that the unusual enhancement possibly arises from the
multifractality of electron wave functions. This work provides the first
experimental evidence of the multifractal superconducting state