Cryogenic AFM-STM for mesoscopic physics

Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, CNRS UPR 20, bâtiment D1, 9 route de Nozay, 91460 Marcoussis, France.

Abstract

Electronic spectroscopy based on electron tunneling gives access to the electronic density of states (DOS) in conductive materials, and thus provides detailed information about their electronic properties. During this thesis work, we have developed a microscope in order to perform spatially resolved (10 nm) tunneling spectroscopy, with an unprecedented energy resolution (10 μeV), on individual nanocircuits. This machine combines an Atomic Force Microscope (AFM mode) together with a Scanning Tunneling Spectroscope (STS mode) and functions at very low temperatures (30 mK). In the AFM mode, the sample topography is recorded using a piezoelectric quartz tuning fork, which allows us to locate and image nanocircuits. Tunneling can then be performed on conductive areas of the circuit. With this microscope, we have measured the local DOS in a hybrid Superconductor-Normal metal-Superconductor (S-N-S) structure. In such circuit, the electronic properties of N and S are modified by the superconducting proximity effect. In particular, for short N wires, we have observed a minigap independent of position in the DOS of the N wire, as was previously predicted. Moreover, when varying the superconducting phase difference between the S electrodes, we have measured the modification of the minigap and its disappearance when the phase difference equals π. Our experimental results for the DOS, and its dependences (on phase, position, N length), are quantitatively accounted for by the quasiclassical theory of superconductivity. Some predictions of this theory are observed for the first time.

Résumé

La spectroscopie électronique basée sur l'effet tunnel donne accès à la densité d'états des électrons (DOS) dans les matériaux conducteurs, et renseigne ainsi en détail sur leurs propriétés électroniques. Au cours de cette thèse, nous avons développé un microscope permettant d'effectuer la spectroscopie tunnel résolue spatialement (10 nm) de nanocircuits individuels, avec une résolution en énergie inégalée (10 μeV). Cet appareil combine les fonctions de Microscopie par Force Atomique (mode AFM) et de spectroscopie Tunnel locale (mode STM), et fonctionne à 30 mK. Dans le mode AFM, la topographie de l'échantillon est imagée grâce à un diapason en quartz piézoélectrique, ce qui permet de repérer les circuits. La spectroscopie tunnel peut ensuite être faite sur les zones conductrices. Avec ce microscope, nous avons mesuré la DOS locale dans une structure hybride Supraconducteur-métal Normal-Supraconducteur (S-N-S). Dans un tel circuit, les propriétés électroniques de N et de S sont modifiées par l'effet de proximité supraconducteur. Notamment, pour des fils N courts, nous avons pu observer -comme prédit- la présence d'un gap dans sa DOS, indépendant de la position dans la structure : le " minigap ". De plus, en modulant la phase supraconductrice entre les deux S, nous avons mesuré la modification de ce gap, et sa disparition lorsque la différence de phase vaut π. Nos résultats expérimentaux pour la DOS, ainsi que ses dépendances en phase, en position, et en longueur de N sont en accord quantitatif avec les prédictions de la théorie quasiclassique de la supraconductivité. Certaines de ces prédictions sont observées pour la première fois.