Proposed cavity Josephson plasmonics with complex-oxide heterostructures

We discuss how complex-oxide heterostructures that include high-Tc superconducting cuprates can be used to realize an array of sub-millimeter cavities that support Josephson plasmon polaritons. These cavities have several attractive features for new types of light matter interaction studies and we show that they promote "ultrastrong" coupling between THz frequency radiation and Josephson plasmons. Cavity electrodynamics of Josephson plasmons allows to manipulate the superconducting order-parameter phase coherence. As an example, we discuss how it could be used to cool superconducting phase fluctuations with light

Nanoscale textured superconductivity in Ru-substituted BaFe2As2 : a challenge to a universal phase diagram for the pnictides

75As NMR experiments were performed in Ba(Fe1-xRux)2As2 for x=0 to 80%. Magnetic fractions and NMR lineshapes demonstrate that Ru substitution destroys the antiferromagnetic (AF) order inhomogeneously with a magnetic moment distributed from 0.9 to 0 uB. Superconductivity emerges at intermediate Ru doping and coexists with AF order only in the regions where moments are smaller than ~0.3uB, resulting in an original nanoscale texture. This situation contrasts with that of Co substitution, challenging the apparent universality of the phase diagram in Fe-based superconductors

Etude par RMN du magnétisme et de la supraconductivité dans les pnictures de Fer

The recent discovery of superconductivity at a rather high temperature in the iron pnictides (Tc,max=56K) has revived some fundamental questions about the existence and the nature of the superconducting phase : in particular, the existence of an antiferromagnetic phase that is in vicinity of the superconducting phase in their phase diagram, as in other unconventional superconductors, raises questions about the link between magnetism and superconductivity. In this thesis, we studied the normal state as well as the antiferromagnetic and superconducting phases of the iron pnictides on a local scale with Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Starting from the same parent compound BaFe2As2, we studied heterovalent Co substitution in Fe site realizing an electron doping and isovalent Ru substitution in Fe site. The normal state is shown to display important qualitative differences with the normal state of cuprates superconductors: disorder induced substitutions in electronically active layers is weak and we show the absence of a PseudoGap phase from spin susceptibility measurements. Whereas the phase diagram is similar for Co and Ru substitutions, we show that the nature of the antiferromagnetic and the superconducting phases is qualitatively different on a local scale in the two cases. For Co substitution leading to electron doping, the electronic phases are homogeneous and we demonstrate in particular the homogeneous coexistence of antiferromagnetism and superconductivity down to an atomic scale for some compositions: this suggests a magnetism of itinerant nature and an unconventional superconducting order parameter for the superconducting phase. For the isovalent Ru substitution, the electronic phases are inhomogeneous at a scale surprisingly low of the order of the nanometer scale, leading to a coexistence that is very distributed spatially. This works shows the possibility to induce an unconventional superconducting phase by the weakening of an antiferromagnetic phase made possible with very different means : either in reciprocal space with electron doping or in real space with isovalent substitution. Moreover, this is shown to lead to different kinds of coexistence between these phases in the two cases.La découverte récente de supraconductivité à relativement haute température (Tc,max=56K) dans les pnictures de Fer soulève des questions fondamentales sur l’origine et la nature de la supraconductivité : en particulier, la présence d’une phase antiferromagnétique à proximité de celle-ci dans leur diagramme de phase, comme dans d’autres supraconducteurs non conventionnels pose la question du lien entre magnétisme et supraconductivité.Nous nous sommes intéressés à la nature de l’état normal ainsi que des phases antiferromagnétique et supraconductrice d’un point de vue local grâce à la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) dans les pnictures de Fer. Nous avons pour cela étudié des pnictures de Fer de même composé parent BaFe2As2 pour des substitutions Co en site Fer de nature hétérovalente et réalisant un dopage électron ou bien Ru en site Fer de nature isovalente. L’état normal de ces matériaux présente des différences notables avec l’état normal des cuprates supraconducteurs : le désordre introduit par les substitutions au niveau intraplan est faible et on constate l’absence d’une phase de PseudoGap pour la susceptibilité de spin. Les diagrammes de phase sont similaires pour le Co et le Ru mais nos mesures montrent que la nature des phases antiferromagnétique et supraconductrice est en réalité qualitativement différente à l’échelle locale pour les deux types de substitution. Pour la substitution au Co réalisant un dopage électron, les phases électroniques sont homogènes et nous démontrons en particulier qu’à certains dopages, un ordre antiferromagnétique incommensurable coexiste avec la supraconductivité jusqu’à une échelle atomique, suggérant une nature itinérante du magnétisme et un état supraconducteur possédant une symétrie non conventionnelle. Pour la substitution isovalente au Ru, les phases électroniques sont inhomogènes à une échelle étonnamment faible, de l’ordre du nanomètre, mettant en jeu une coexistence entre magnétisme et supraconductivité très distribuée spatialement. Ce travail illustre la possibilité d’engendrer une phase supraconductrice non conventionnelle en déstabilisant une phase antiferromagnétique au moyen de mécanismes agissant soit dans l’espace réciproque (dopage électron), soit dans l’espace réel (substitution isovalente) et donnant lieu par ailleurs à une coexistence de ces phases de nature très différente dans les deux cas

NMR study of magnetism and superconductivity in iron pnictides

La découverte récente de supraconductivité à relativement haute température (Tc,max=56K) dans les pnictures de Fer soulève des questions fondamentales sur l’origine et la nature de la supraconductivité : en particulier, la présence d’une phase antiferromagnétique à proximité de celle-ci dans leur diagramme de phase, comme dans d’autres supraconducteurs non conventionnels pose la question du lien entre magnétisme et supraconductivité.Nous nous sommes intéressés à la nature de l’état normal ainsi que des phases antiferromagnétique et supraconductrice d’un point de vue local grâce à la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) dans les pnictures de Fer. Nous avons pour cela étudié des pnictures de Fer de même composé parent BaFe2As2 pour des substitutions Co en site Fer de nature hétérovalente et réalisant un dopage électron ou bien Ru en site Fer de nature isovalente. L’état normal de ces matériaux présente des différences notables avec l’état normal des cuprates supraconducteurs : le désordre introduit par les substitutions au niveau intraplan est faible et on constate l’absence d’une phase de PseudoGap pour la susceptibilité de spin. Les diagrammes de phase sont similaires pour le Co et le Ru mais nos mesures montrent que la nature des phases antiferromagnétique et supraconductrice est en réalité qualitativement différente à l’échelle locale pour les deux types de substitution. Pour la substitution au Co réalisant un dopage électron, les phases électroniques sont homogènes et nous démontrons en particulier qu’à certains dopages, un ordre antiferromagnétique incommensurable coexiste avec la supraconductivité jusqu’à une échelle atomique, suggérant une nature itinérante du magnétisme et un état supraconducteur possédant une symétrie non conventionnelle. Pour la substitution isovalente au Ru, les phases électroniques sont inhomogènes à une échelle étonnamment faible, de l’ordre du nanomètre, mettant en jeu une coexistence entre magnétisme et supraconductivité très distribuée spatialement. Ce travail illustre la possibilité d’engendrer une phase supraconductrice non conventionnelle en déstabilisant une phase antiferromagnétique au moyen de mécanismes agissant soit dans l’espace réciproque (dopage électron), soit dans l’espace réel (substitution isovalente) et donnant lieu par ailleurs à une coexistence de ces phases de nature très différente dans les deux cas.The recent discovery of superconductivity at a rather high temperature in the iron pnictides (Tc,max=56K) has revived some fundamental questions about the existence and the nature of the superconducting phase : in particular, the existence of an antiferromagnetic phase that is in vicinity of the superconducting phase in their phase diagram, as in other unconventional superconductors, raises questions about the link between magnetism and superconductivity. In this thesis, we studied the normal state as well as the antiferromagnetic and superconducting phases of the iron pnictides on a local scale with Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Starting from the same parent compound BaFe2As2, we studied heterovalent Co substitution in Fe site realizing an electron doping and isovalent Ru substitution in Fe site. The normal state is shown to display important qualitative differences with the normal state of cuprates superconductors: disorder induced substitutions in electronically active layers is weak and we show the absence of a PseudoGap phase from spin susceptibility measurements. Whereas the phase diagram is similar for Co and Ru substitutions, we show that the nature of the antiferromagnetic and the superconducting phases is qualitatively different on a local scale in the two cases. For Co substitution leading to electron doping, the electronic phases are homogeneous and we demonstrate in particular the homogeneous coexistence of antiferromagnetism and superconductivity down to an atomic scale for some compositions: this suggests a magnetism of itinerant nature and an unconventional superconducting order parameter for the superconducting phase. For the isovalent Ru substitution, the electronic phases are inhomogeneous at a scale surprisingly low of the order of the nanometer scale, leading to a coexistence that is very distributed spatially. This works shows the possibility to induce an unconventional superconducting phase by the weakening of an antiferromagnetic phase made possible with very different means : either in reciprocal space with electron doping or in real space with isovalent substitution. Moreover, this is shown to lead to different kinds of coexistence between these phases in the two cases

Etude par RMN du magnétisme et de la supraconductivité dans les pnictures de Fer

La découverte récente de supraconductivité à relativement haute température (Tc,max=56K) dans les pnictures de Fer soulève des questions fondamentales sur l origine et la nature de la supraconductivité : en particulier, la présence d une phase antiferromagnétique à proximité de celle-ci dans leur diagramme de phase, comme dans d autres supraconducteurs non conventionnels pose la question du lien entre magnétisme et supraconductivité.Nous nous sommes intéressés à la nature de l état normal ainsi que des phases antiferromagnétique et supraconductrice d un point de vue local grâce à la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) dans les pnictures de Fer. Nous avons pour cela étudié des pnictures de Fer de même composé parent BaFe2As2 pour des substitutions Co en site Fer de nature hétérovalente et réalisant un dopage électron ou bien Ru en site Fer de nature isovalente. L état normal de ces matériaux présente des différences notables avec l état normal des cuprates supraconducteurs : le désordre introduit par les substitutions au niveau intraplan est faible et on constate l absence d une phase de PseudoGap pour la susceptibilité de spin. Les diagrammes de phase sont similaires pour le Co et le Ru mais nos mesures montrent que la nature des phases antiferromagnétique et supraconductrice est en réalité qualitativement différente à l échelle locale pour les deux types de substitution. Pour la substitution au Co réalisant un dopage électron, les phases électroniques sont homogènes et nous démontrons en particulier qu à certains dopages, un ordre antiferromagnétique incommensurable coexiste avec la supraconductivité jusqu à une échelle atomique, suggérant une nature itinérante du magnétisme et un état supraconducteur possédant une symétrie non conventionnelle. Pour la substitution isovalente au Ru, les phases électroniques sont inhomogènes à une échelle étonnamment faible, de l ordre du nanomètre, mettant en jeu une coexistence entre magnétisme et supraconductivité très distribuée spatialement. Ce travail illustre la possibilité d engendrer une phase supraconductrice non conventionnelle en déstabilisant une phase antiferromagnétique au moyen de mécanismes agissant soit dans l espace réciproque (dopage électron), soit dans l espace réel (substitution isovalente) et donnant lieu par ailleurs à une coexistence de ces phases de nature très différente dans les deux cas.The recent discovery of superconductivity at a rather high temperature in the iron pnictides (Tc,max=56K) has revived some fundamental questions about the existence and the nature of the superconducting phase : in particular, the existence of an antiferromagnetic phase that is in vicinity of the superconducting phase in their phase diagram, as in other unconventional superconductors, raises questions about the link between magnetism and superconductivity. In this thesis, we studied the normal state as well as the antiferromagnetic and superconducting phases of the iron pnictides on a local scale with Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Starting from the same parent compound BaFe2As2, we studied heterovalent Co substitution in Fe site realizing an electron doping and isovalent Ru substitution in Fe site. The normal state is shown to display important qualitative differences with the normal state of cuprates superconductors: disorder induced substitutions in electronically active layers is weak and we show the absence of a PseudoGap phase from spin susceptibility measurements. Whereas the phase diagram is similar for Co and Ru substitutions, we show that the nature of the antiferromagnetic and the superconducting phases is qualitatively different on a local scale in the two cases. For Co substitution leading to electron doping, the electronic phases are homogeneous and we demonstrate in particular the homogeneous coexistence of antiferromagnetism and superconductivity down to an atomic scale for some compositions: this suggests a magnetism of itinerant nature and an unconventional superconducting order parameter for the superconducting phase. For the isovalent Ru substitution, the electronic phases are inhomogeneous at a scale surprisingly low of the order of the nanometer scale, leading to a coexistence that is very distributed spatially. This works shows the possibility to induce an unconventional superconducting phase by the weakening of an antiferromagnetic phase made possible with very different means : either in reciprocal space with electron doping or in real space with isovalent substitution. Moreover, this is shown to lead to different kinds of coexistence between these phases in the two cases.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Femtosecond Laser Ablation-Induced Magnetic Phase Transformations in FeRh Thin Films

In this study, we present a novel investigation into the magnetic and morphological properties of equiatomic B2-ordered FeRh thin films irradiated with single high-intensity ultrashort laser pulses. The goal is to elucidate the effect of femtosecond laser ablation on the magnetic properties of FeRh. We employed Scanning Magneto-Optical Kerr Effect (S-MOKE) microscopy to examine the magnetic phase after laser processing, providing high spatial resolution and sensitivity. Our results for the first time demonstrated the appearance of a magneto-optical signal from the bottom of ablation craters, suggesting a transition from antiferromagnetic to ferromagnetic behavior. Fluence-resolved measurements clearly demonstrate that the ablation threshold coincides with the threshold of the antiferromagnet-to-ferromagnet phase transition. The existence of such a magnetic phase transition was independently confirmed by temperature-dependent S-MOKE measurements using a CW laser as a localized heat source. Whereas the initial FeRh film displayed a reversible antiferromagnet-ferromagnet phase transition, the laser-ablated structures exhibited irreversible changes in their magnetic properties. This comprehensive analysis revealed the strong correlation between the femtosecond laser ablation process and the magnetic phase transformation in FeRh thin films

Ultrasmall and tunable TeraHertz surface plasmon cavities at the ultimate plasmonic limit

Abstract The ability to confine THz photons inside deep-subwavelength cavities promises a transformative impact for THz light engineering with metamaterials and for realizing ultrastrong light-matter coupling at the single emitter level. To that end, the most successful approach taken so far has relied on cavity architectures based on metals, for their ability to constrain the spread of electromagnetic fields and tailor geometrically their resonant behavior. Here, we experimentally demonstrate a comparatively high level of confinement by exploiting a plasmonic mechanism based on localized THz surface plasmon modes in bulk semiconductors. We achieve plasmonic confinement at around 1 THz into record breaking small footprint THz cavities exhibiting mode volumes as low as $${V}_{cav}/{\lambda }_{0}^{3} \sim 1{0}^{-7}-1{0}^{-8}$$ V c a v / λ 0 3 ~ 1 0 − 7 − 1 0 − 8 , excellent coupling efficiencies and a large frequency tunability with temperature. Notably, we find that plasmonic-based THz cavities can operate until the emergence of electromagnetic nonlocality and Landau damping, which together constitute a fundamental limit to plasmonic confinement. This work discloses nonlocal plasmonic phenomena at unprecedentedly low frequencies and large spatial scales and opens the door to novel types of ultrastrong light-matter interaction experiments thanks to the plasmonic tunability

Chiral TeraHertz surface plasmonics

Chiral engineering of TeraHertz (THz) light fields and the use of the handedness of light in THz light-matter interactions promise many novel opportunities for advanced sensing and control of matter in this frequency range. Unlike previously explored methods, this is achieved here by leveraging the chiral properties of highly confined THz surface plasmon modes. More specifically, we design ultrasmall surface plasmonic-based THz cavities and THz metasurfaces that display significant and adjustable chiral behavior under modest magnetic fields. For such a prototypical example of non-hermitian and dispersive photonic system, we demonstrate the capacity to magnetic field-tune both the poles and zeros of cavity resonances, the two fundamental parameters governing their resonance properties. Alongside the observed handedness-dependent cavity frequencies, this highlights the remarkable ability to engineer chiral and tunable radiative couplings for THz resonators and metasurfaces. The extensive tunability offered by the surface plasmonic approach paves the way for the development of agile and multifunctional THz metasurfaces as well as the realization of ultrastrong chiral light-matter interactions at low energy in matter with potential far-reaching applications for the design of material properties

Spin injection efficiency at metallic interfaces probed by THz emission spectroscopy

International audienceTerahertz (THz) spin-to-charge conversion has become an increasingly important process for THz pulse generation and as a tool to probe ultrafast spin interactions at magnetic interfaces. However, its relation to traditional, steady state, ferromagnetic resonance techniques is poorly understood. Here we investigate nanometric trilayers of Co/X/Pt (X=Ti, Au or Au0:85W0:15) as a function of the 'X' layer thickness, where THz emission generated by the inverse spin Hall effect is compared to the Gilbert damping of the ferromagnetic resonance. Through the insertion of the 'X' layer we show that the ultrafast spin current injected in the non-magnetic layer defines a direct spin conductance, whereas the Gilbert damping leads to an effective spin mixing-conductance of the trilayer. Importantly, we show that these two parameters are connected to each other and that spinmemory losses can be modeled via an effective Hamiltonian with Rashba fields. This work highlights that magneto-circuits concepts can be successfully extended to ultrafast spintronic devices, as well as enhancing the understanding of spin-to-charge conversion processes through the complementarity between ultrafast THz spectroscopy and steady state techniques