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Supraconductivité et réseau de vortex

29 mars 2012

 

Cliché de diffraction du réseau de vortex dans YBa2Cu3O6.93

 

 Pautrat, Simon, Goupil, Brûlet (Coll CRISMAT/LLB)

 

Nous étudions depuis plusieurs années la supraconductivité. Historiquement, ces études ont commencé après la découverte de la supraconductivité HTc en 1986 dans les oxydes de cuivre dont les phases avaient été stabilisées au laboratoire. Les études se sont concentrées sur la synthèse et l’étude des propriétés physiques de monocristaux d’oxydes de cuivre, puis sur la modification de leur propriété par irradiation aux ions lourds. Nous travaillons maintenant sur le rôle de la surface pour la physique des réseaux de vortex, qui contrôlent en particuliers les propriétés d’ancrage (le courant critique) et de transport de courant.

Cette thématique a la particularité de comporter deux aspects, l’un fondemental lié à la physique des systèmes désordonnés et des fluides quantiques, et l’autre très pratique lié à l’optimisation des propriétés d’un supraconducteur. Les techniques expérimentales que nous utilisons, en plus des caractérisations classiques, sont la diffraction neutronique, le transport non linéaire et le bruit ainsi que l’impédance complexe.

 

Pour une introduction à la phénoménologie des réseaux de vortex (ancrage et dynamique, essentiellement sur les supraconducteurs conventionels) :cliquez ici

Pour une introduction à nos travaux récents : cliquez ici 

La diffraction neutronique

 

Figure 1 : Diffractomètre aux petits angles tel que PAXY (LLB), D11 et D22 (ILL) et géométrie expérimentale classiquement utilisée.

 

Le réseau de vortex est une structure périodique de quantum de flux peuplant. l’état mixte supraconducteur. Sa prédiction par Abrikosov en 1957 lui a valu le prix Nobel de physique en 2003, la vérification expérimentale étant réalisée par diffraction neutronique (Cribier et al à SACLAY en 1967), suite à une suggestion parue dans un article de De Gennes. Depuis, la diffraction neutronique est un outil privilégié pour l’étude des réseaux de vortex.

 

 

 

Figure 2 : Figure de diffraction du réseau de vortex dans Bi-2212

 (mesuré sur D22 à l’ILL)

 

Nous avons réalisé de nombreuses études des réseaux de vortex par diffraction neutronique, sur des réseaux statiques ou en mouvement, afin de clarifier le lien entre la structure des réseaux, les propriétés de transport et d’ancrage et la distribution des courants critiques.


 

 

 

Figure 3 : Mise en ordre orientationelle du réseau de vortex dynamique

(mesuré sur PAXY- LLB dans du Pb In polycristallin)

 

 

quelques références :

Structure of the flux lines lattice in NbSe2 : Equilibrium state and influence of the magnetic history : A. Pautrat, M. Aburas et al, Phys. Rev. B 79, 184511 (2009)

Persistence of an ordered flux line lattice above the second peak in Bi2Sr2CaCu2O8+δ, A. Pautrat, Ch. Simon et al, Phys. Rev. B 75, 224512 (2007)

Metastable states of a flux-line lattice studied by transport and small-angle neutron scattering, A. Pautrat, J. Scola, Ch. Simon, P. Mathieu, A. Brûlet, C. Goupil, M. J. Higgins, and S.Bhattacharya, Phys. Rev. B 71, 064517 (2005)

 

Distribution of Transport Current in a Type-II Superconductor Studied by Small-Angle Neutron Scattering : A. Pautrat, C. Goupil et al, Phys. Rev. Lett. 90, 087002 (2003)

Measurement of vortex motion in a type-II superconductor : A novel use of the neutron spin-echo technique , E. M. Forgan, P. G. Kealey, S. T. Johnson, A. Pautrat, Ch. Simon, S. L. Lee, C. M. Aegerter, R. Cubitt, B. Farago, and P. Schleger, Phys. Rev. Lett. 85, 3488 (2000)

 

Le transport non linéaire et le bruit de vortex


 La première propriété d’un réseau de vortex ancré est de présenter un caractéristique Tension Courant V(I) non Ohmique, avec l’existence d’un courant seuil sous lequel V=0 : c’est le courant critique Ic. Quand I>Ic, le réseau de vortex se met en mouvement dissipatif. Une partie de nos travaux est liée à la compréhension de Ic, et à son contrôle via les états de surface du supraconducteur.

 

 

 

L’apparente simplicité de la courbe V(I) (ici mesurée dans du Niobium) ne doit pas faire oublier que des processus complexes doivent expliquer que le régime ne devient pas ohmique à fort courant, i.e. les vortex continuent à interagir avec le potentiel d’ancrage même à forte vitesse. 

 

 

 

Figure 4 : montage expérimental utilisé pour mesurer le bruit de vortex. 

 

 

Comme le montre la diffraction neutronique, le réseau de vortex en mouvement est un système ordonné et très cohérent. Néanmoins, il existe des petites fluctuations de vitesse et de flux magnétique dont l’existence est imposée par les bilans dissipatifs et la forme de la V(I). Leur étude permet de localiser les sources d’instabilités et donc d’ancrage que l’on démontre superficielles, mais aussi de mieux appréhender le mouvement complexe des vortex,. Dans les tout petits supraconducteurs et en renforçant la potentiel d’ancrage en surface (traitement au FIB), on arrive à stabiliser des états où les fluctuations statistiques sont très particulières, du type vol de Lévy.


Figure 5 : Spectres de tension du bruit de vortex pour différentes conditions expérimentales (état mixte, supraconductivité de surface). On induit un changement drastique dans le temps de corrélation des fluctuations après une irradiation de surface.

 

 

quelques références :

Narrow-band noise due to the moving vortex lattice in superconducting niobium : Alain Pautrat and Joseph Scola, We report measurements of voltage noise due to vortex motion in Niobium, a conventional low-Tc superconductor. A coherent oscillation leading to narrow-band noise (NBN) is evidenced. Its characteristic frequency is a linear function of the overcritical transport current in the flux-flow regime, and hence scales as the main velocity of the vortex flow. The associated length scale is not the intervortex distance but the width of the sample, indicating temporal coherence at a large scale. NBN is also observed in the nonlinear part of the V(I) at the onset of depinning, in apparent disagreement with a stochastic creep motion of flux bundles. NBN exists in the peak effect region, showing that long-range temporal correlations are preserved in thPhys. Rev. B 79, 024507 (2009)

Experimental study of the correlation length of critical-current fluctuations in the presence of surface disorder : Probing vortex long-range interactions, J. Scola, A. Pautrat, C. Goupil, and Ch. Simon, Phys. Rev. B 73, 024508 (2006)

New insight into the fluctuations of the moving vortex lattice : Non-Gaussian noise and Levy flight : J. Scola, A. Pautrat, C. Coupil et al., Fluctuations and Noise Letters 6, 287 (2006)

 

Voltage noise and surface current fluctuations in the superconducting surface sheath : J. Scola, A. Pautrat, et al, Phys. Rev. B 72, 012507 (2005)

 

La transition de désancrage vue par la réponse linéaire

 

 

 Figure 6 : montage expérimental utilisé pour mesurer la réponse linéaire d’un supraconducteur

 

La transition de désancrage du réseau de vortex peut être étudiée via sa réponse linéaire en utilisant des mesures d’impédance complexe. Ces travaux, réalisés en collaboration avec le laboratoire Pierre Aigrain de l’ENS (B. Plaçais et al), montrent que ce système est régit par une électrodynamique à deux modes, où le mode de volume est libre et l’élasticité non locale du réseau de vortex se répercute dans l’existence d’un mode de surface régissant le courant critique.

 

 

Figure 7 : Spectre expérimental (points) et réponse à deux modes (trait plein) de la transition de désancrage en régime linéaire dans YBaCuO

 

quelques références :

Ee

Electrodynamics of the vortex lattice in untwinned YBaCuO by complex impedance measurements, A. Pautrat, A. Daignere, C. Goupil et al, European Physical Journal B 33, 279 (2003)

Evidence for vortex surface pinning in YBa2Cu3O7-delta from the frequency dependence of the complex penetration depth, Alain Pautrat, Christophe Goupil, Charles Simon, Norbert Lütke-Entrup, Bernard Plaçais, Patrice Mathieu, Yvan Simon, Alexander Rykov, and Setsuko Tajima, Phys. Rev. B 63, 054503  (2001)

 High-frequency linear AC response of a pinned vortex lattice , N. Lutke-Entrup, B. Placais, P. Mathieu, Y. Simon, A.Pautrat, C. Goupil, Ch. Simon, Physica B 284, 719 (2000)