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Supraconductivité en présence de forts effets paramagnétique et spin-orbite

De
108 pages
Sous la direction de Alexandre Buzdin, Jérôme Cayssol
Thèse soutenue le 02 octobre 2009: Bordeaux 1
L'état supraconducteur étant un condensat de paires de Cooper constitué d'électrons de moments et de spins opposés, il peut être fortement influencé par des effets de spin. Au cours de cette thèse, nous étudions l'effet d'un fort champ d'échange et d'un effet spin-orbite de type Rashba sur les propriétés supraconductrices. Dans une première partie, on étudie les effets associés à l'interaction entre supraconductivité et fort champ d'échange, se caractérisant par une transition de phase vers un état supraconducteur inhomogène découvert par Fulde, Ferrell, Larkin et Ovchinnikov (FFLO). On étudie tout particulièrement les fluctuations supraconductrices à l'approche de la transition de phase. On montre que ces fluctuations peuvent servir de révélateur à cette phase. Notamment, la capacité calorifique et la paraconductivité divergent de façon caractéristique à la transition vers un état modulé. On décrit également comment les effets paramagnétiques modifient les fluctuations de l'aimantation, annulant la réponse diamagnétique ou produisant des oscillations entre réponse para- et dia-magnétique. La seconde partie est dévolue aux jonctions supraconducteur-ferromagnétique (S/F). Dans les jonctions Josephson S/F/S, le champ d'échange donne lieu à des oscillations du courant critique en fonction de la longueur de la jonction, charactérisées par une alternance des états 0 et . On prédit une transition entre les états 0 et induite par la température, même dans la limite ballistique. Dans cette limite ballistique, on montre également que le courant de Josephson s'atténu sous la forme de lois de puissance en fonction de la longueur de la jonction, alors que le cas diffusif présente une atténuation exponentielle. On étudie ensuite la seconde harmonique de la relation courant-phase en présence d'une faible quantité d'impuretés. La dernière partie traite des effets de proximité lorsque les deux effets paramagnétique et spin-orbite sont présents dans une jonction Josephson. On montre que l'association d'une interaction Rashba et d'un champ d'échange induit un couplage direct entre les ordres magnétique et supraconducteur. En particulier, ce couplage permet de générer toute la dynamique magnétique par l'application d'une simple tension électrique.
-Supraconductivité
-Phase FFLO
-Jonction pi
-Effet paramagnétique
-Interaction spin-orbite
-Effet de proximité supraconducteur-ferromagnétique
The superconducting state being a Cooper pair condensate built on opposite spin and momentum electrons, it can be strongly influenced by any spin effect. In this thesis, we investigate the roles of strong paramagnetic and spin-orbit effects on superconducting properties. In a first part, the interplay between paramagnetic effect and bulk superconductivity is studied, leading to the modulated Fulde, Ferrell, Larkin and Ovchinnikov phase (FFLO phase). We focus on superconducting fluctuations near to the FFLO state. We show that these fluctuations can serve as a smoking gun for this phase. Noticeably, the fluctuation heat capacity and paraconductivity diverge in a characteristic way when approaching the phase transition towards a modulated state. Moreover, the fluctuation induced magnetization is predicted to be drastically quenched or to oscillate between dia- and para-magnetic responses. The second part is devoted to superconductor-ferromagnetic (S/F) junctions. In S/F/S Josephson junctions, the exchange field is responsible for the critical current oscillation, characterized by alternative 0- and -states, with respect to the junction length. We predict a temperature induced (0-) state transition, even in the ballistic case. Moreover, the ballistic case exhibits some power law decays of the Josephson current, in contrast to the exponentially decaying current in dirty limit. The moderately dirty limit is then investigated, and the second harmonic of the current-phase relation is established. The last part deals with proximity effects when both paramagnetic and spin-orbit interactions are present in a Josephson junction. We show that the association of both Rashba interaction and exchange field induces a direct coupling between magnetic and superconducting orders. Particularly, this coupling generates the complete magnetization dynamics by applying an appropriate d.c. voltage.
-Superconductivity
-Paramagnetic effect
-FFLO phase
-Superconductor-ferromagnet proximity effect
-Pi-junction
-Spin-orbit interaction
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13842/document
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Numéro d’ordre : 3842

THÈSE

PRÉSENTÉE À

L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR


PAR François KONSCHELLE


POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPÉCIALITÉ : Lasers, Matière et Nanoscience


Supraconductivité en présence de forts effets
paramagnétique et spin-orbite.

Thèse dirigée par Alexandre BUZDIN et Jérôme CAYSSOL


Soutenue le : vendredi 2 octobre 2009



Devant la commission d’examen formée de :


Mme. Hélène BOUCHIAT - LPS - Université Paris-Sud - Directrice de recherche Membre du jury
M. Alexandre BOUZDINE - CPMOH - U. Bordeaux - Professeur - Membre de l’IUF Directeur de Thèse
M. Jérôme CAYSSOL - CPMOH - U. Bordeaux - Maître de Conférences Codirecteur de Thèse
M. Denis FEINBERG - Institut Néel Grenoble - Directeur de Recherche Rapporteur
M. Vladimir MINEEV - CEA Grenoble - Professeur Rapporteur
M. Philippe TAMARAT - CPMOH - U. Bordeaux - Professeur Président du jury



Université Bordeaux 1 – Les Sciences et Technologies au service de l’Homme et de l’Environnement.
























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