Thermodynamics of a Heavy Ion-Irradiated Superconductor: the Zero-Field Transition

Specific heat measurements show that the introduction of amorphous columnar defects considerably affects the transition from the normal to the superconducting state in zero magnetic field. Experimental results are compared to numerical simulations of the 3D XY model for both the pure system and the system containing random columnar disorder. The numerics reproduce the salient features of experiment, showing in particular that the specific heat peak changes from cusp-like to smoothly rounded when columnar defects are added. By considering the specific heat critical exponent alpha, we argue that such behavior is consistent with recent numerical work [Vestergren et al., PRB 70, 054508 (2004)] showing that the introduction of columnar defects changes the universality class of the transition.Comment: 4 pages, 2 figure

Thermodynamics of the vortex liquid in heavy ion-irradiated superconductors

It is shown that the large effect of heavy ion-irradiation on the thermodynamical properties of the anisotropic superconductor YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7-\delta}$ extends well into the superconducting fluctuation regime. The presence of the induced amorphous columnar defects shifts the specific heat maximum at the normal-to-superconducting transition. This effect is similar to that recently put into evidence in cubic K$_{x}$Ba$_{1-x}$BiO$_{3}$ ($x \simeq 0.35$). In both compounds, vortex pinning manifests itself as a sharp angular dependence of the \em equilibrium \rm torque. In YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7-\delta}$, pinning by the defects appears at the temperature $T_{C_{p}}^{max}$ of the specific heat maximum, well above the magnetic irreversibility line $T_{irr}(H)$. In isotropic K$_{x}$Ba$_{1-x}$BiO$_{3}$, the onset of the pinning-related torque anomaly tracks the onset of the specific heat anomaly and the irreversibility line. In YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7-\delta}$, fluctuations of the amplitude of the order parameter (and not vortex line wandering) are ultimately responsible for the vanishing of pinning. In K$_{x}$Ba$_{1-x}$BiO$_{3}$, vortex pinning disappears only at the superconducting-to-normal transition. The results indicate that in both compounds, the pinning energy at the ``Bose glass'' transition is large with respect to the total free energy gain in the superconducting state. By implication, the mechanism of this latter transition should be reconsidered.Comment: 9 pages, 9 figures, resubmitted to PRB 23-09-200

Unveiling the double-peak structure of quantum oscillations in the specific heat

Quantum oscillation phenomenon is an essential tool to understand the electronic structure of quantum matter. Here we report the first systematic study of quantum oscillations in the electronic specific heat $C_{el}$ in natural graphite. We show that the crossing of a single spin Landau level and the Fermi energy give rise to a double-peak structure, in striking contrast to the single peak expected from Lifshitz-Kosevich theory. Intriguingly, the double-peak structure is predicted by the kernel term for $C_{el}/T$ in the free electron theory. The $C_{el}/T$ represents a spectroscopic tuning fork of width 4.8 $k_B T$ which can be tuned at will to resonance. Using a coincidence method, the double-peak structure can be used to accurately determine the Lande $g$-factor of quantum materials. More generally, the tuning fork can be used to reveal any peak in fermionic density of states tuned by magnetic field, such as Lifshitz transition in heavy-fermion compounds.Comment: 22 pages, 5 figure

Etude calorimetrique sous champ magnetique des phases basses temperatures des composes "Kondoe ordonnes : CeB_6 et TmS

SIGLECNRS T 60147 / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Etude de la coexistence de la supraconductivité et du ferromagnétisme dans le composé URhGe

Ferromagnétisme et supraconductivité sont habituellement considérés comme deux ordres antagonistes, aussi la découverte de leur coexistence dans URhGe et UGe2 a généré beaucoup d'intérêt. Le mécanisme expliquant un tel état n'a cependant pas encore était totalement élucidé. La supraconductivité dans ces composés serait non conventionnelle: les fluctuations magnétiques pourraient être responsables de l'appariement des électrons en paires de Cooper avec des spins parallèles. Cette thèse porte sur l'étude du composé ferromagnétique supraconducteur URhGe. URhGe devient ferromagnétique en dessous d'une température de Curie de 9,5 Kelvin, avec des moments spontanés alignés selon l'axe c de sa structure orthorhombique. Pour des températures inférieures à 260 mK et des champs plus petits que 2 Tesla, une phase supraconductrice a été observée dès 2001. Au cours de cette thèse une deuxième phase supraconductrice induite sous champ a été mise en évidence dans des monocristaux pour des hauts champs magnétiques appliqués selon l'axe b des cristaux. Cette deuxième poche de supraconductivité enveloppe une transition métamagnétique ayant lieu pour un champ de 12 Tesla. Nous présentons dans ce manuscrit une étude détaillée de cette supraconductivité et de sa relation avec la transition métamagnétique. Nous discutons de l'existence d'un point critique quantique dans le diagramme de phase magnétique et du rôle des fluctuations magnétiques émergeant de ce point critique quantique dans le mécanisme d'appariement des électrons.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

La supraconductivité du diamant et matériaux voisins

The doping-induced metal-insulator transition (MIT) and superconductivity has been studied in highly boron-doped single crystal diamond (structural properties, scaling law approach for the MIT, isotopic substitution, band structure vs Hall effect, vibrational modes for boron dimmers) and related materials. Superconductivity has been discovered in case of heavily boron-doped single crystal cubic silicon (prepared by GILD), the MIT in the case of highly aluminium-doped 4H silicon carbide (prepared by VLS). The study of the MIT and the magnetotransport in highly boron-doped nanocrystalline diamond has shown the importance of the granularity in this system.La transition métal-isolant (TMI) induite par le dopage et la supraconductivité ont été étudiées dans le diamant monocristallin fortement dopé au bore (propriétés structurales, approche en loi d'échelle pour la TMI, substitution isotopique, structure de bande vs effet Hall, mode de vibration des dimères de bore) et des matériaux voisins. La supraconductivité a été découverte pour le silicium monocristallin fortement dopé au bore (préparé par la méthode GILD), la TMI dans le cas du carbure de silicium 4H fortement dopé à l'aluminium (préparé par la méthode VLS). L'e tude de la TMI et du magnétotransport dans le diamant nanocristallin fortement dopé au bore a montré l'importance de la granularité de ce système.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

MgB2 (le supraconducteur à 2 GAPS)

MgB2 est un composé supraconducteur conventionnel et exotique : conventionnel dans son couplage électron-phonon, exotique dans la présence de deux gaps supraconducteurs faiblement couplés. Sa récente découverte a engendré un grand nombre de travaux. Mais si un consensus s'est établi rapidement sur sa nature multigap, les valeurs des paramètres de l'état supraconducteur comme les longueurs de cohérence ( ) et de pénétration ( ) aim que celles des champs critiques inférieur (Hc1) et supérieur (Hc2) restaient controversées. Mon travail de thèse a consisté à déterminer les valeurs de ces paramètres et de leur an isotropie en utilisant deux techniques complémentaires : la magnétométrie à sondes de Hall et la chaleur spécifique alternative. Nous avons ainsi établi le diagramme de phases H- T de MgB2. En mesurant la répartition de l'induction magnétique sur une collection d'échantillons de rapports de dimensions variés, nous avons mis en évidence la présence de barrières géométriques, retardant l'entrée des vortex. Les dépendances de l'anisotropie de Hcl et Hc2 avec la température et celle de et avec le champ magnétique ont été établies. Elles sont dues à la présence de deux bandes supraconductrices faiblement couplées et dont l'influence relative varie en fonction de la position dans le diagramme H-T. Enfin, nous avons étudié des échantillons dopés et irradiés. La substitution de Mg par Al modifie la densité électronique et donc les champs critiques. En revanche le désordre ponctuel introduit par l'irradiation aux électrons amplifie le piégeage volumique des vortex. Il augmente brutalement l'effet de pic qui pourrait être révélateur d'une transition ordre-désordre.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Supraconductivité et propriétés physiques du silicium très fortement dopé

Cette thèse expérimentale explore les propriétés supraconductrices du silicium très fortement dopé, en particulier au bore, ainsi que les propriétés physiques anormale observées à plus hautes températures. La supraconductivité de Si:B est obtenue sous 1K, pour des dopages en bore supérieurs à la limite de solubilité du bore dans le silicium. Le Si:B est métallique à ces taux de dopage. Dans une première partie, nous exposons les différentes techniques expérimentales exploitées au cours de cette thèse. Nous expliquons les différentes techniques de dopage hors équilibre identifiées pour doper du silicium au-delà de la limite de solubilité, puis les techniques de caractérisation pour contrôler la qualité des couches dopées obtenues, ainsi que les méthodes de mesures aux très basses températures. Dans une deuxième partie, nous exposons les résultats obtenus sur la supraconductivité de Si:B en faisant varier dans un premier temps le taux de dopage en bore, puis en renouvelant l'étude à différentes épaisseurs de couche dopée. Nous montrons notamment que l'évolution de la Tc avec le couplage électron-phonon $lambda$ ne suit pas une loi de McMillan classique, mais plutôt une loi de puissance comme celle observée dans le cas du diamant supraconducteur. Nous montrons que ce résultat peut être expliqué dans le cadre d'un modèle d'un supraconducteur à deux couches de $lambda$ différents. En étudiant la dépendance en température et angulaire de Hc2, nous montrons que Si:B est un supraconducteur intrinsèquement de type I, mais qui devient de type II sous effet d'impuretés, et que la supraconductivité est à caractère bidimensionnel. Dans une troisième partie, nous présentons des comportements anormaux de certaines caractéristiques physiques mesurées dans certaines séries de Si:B, à partir de 50K et qui persistent jusqu'à au moins 400K. Nous présentons des mesures de magnétotransport, d'effet Hall et de mesures thermoélectriques qui présentent toutes des caractéristiques hautement non linéaires, et donc anormales pour un métal. L'origine de ces anomalies est toujours ouverte. Enfin, nous présentons quelques perspectives de travail, en particulier les premières mesures sur un échantillon avec une géométrie de type SQUID.This experimental PhD thesis explore the superconductivity of heavily boron doped epilayers as well as some unusual properties observed at high temperatures. The superconductivity of Si:B is observed below 1K and triggered by boron content exceeding the solubility limit of boron into silicon. For such high boron contents, the silicon layers are metallic. In a first part, we develop the various experimental techniques used. We explain the principles of the out-of-equilibrium doping techniques required to doped beyond the solubility limit. We develop also on the characterisation techniques used to control the quality of the samples, as well as the low temperatures measurement techniques. In a second part, we show the results obtained on the superconductivity of Si:B, obtained forst by varying the boron content at a given layer thickness, and then as a function of the layer thickness. We show that the evolution of Tc with the electron-phonon coupling constant lambda doesn't follow the classical McMillan law, but rather a power of law as it was reported for superconducting diamond. We show that this result can be explained by a double layer model with dislocations resulting in two different lambda values for each sublayer. The study of the temperature and angular dependency of the Hc2 also show that Si:B is an intrinsic type I superconductor turned into type II with defect effects, and that the superconductivity is bidimensionnal. In a third part, we present the anomalous high temperature behaviour of some Si:B epilayers, starting from 50K and observed at least up to 400K. We present magnetotransport, Hall effect and thermoelectric measurements that all show a highly non linear behaviour, unusual for a metal. The origin of these anomalies is still an open question. We finally present some future perspectives, including the first measurements on a Si:B SQUID-like geometry.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF