Reflets de la Physique page 1
Reflets de la Physique page 2
Reflets de la Physique page 3
Reflets de la Physique page 4
Reflets de la Physique page 5

Reflets de la Physique

Embed Size (px)

Text of Reflets de la Physique

  • Reflets de la Physique n 334

    Associer semi-conducteurs

    et supraconducteurs est une

    ide a priori surprenante, tant

    les proprits lectroniques

    de ces deux tats sont opposes.

    Nanmoins, le couplage entre

    les lectrons et les modes de

    vibration du rseau atomique,

    lorigine de la supraconduc-

    tivit conventionnelle, peut

    tre trs fort dans les semi-

    conducteurs du groupe IV.

    Leur caractre semi-conducteur

    est d au fait que les lectrons

    sont impliqus dans les liaisons

    covalentes qui assurent

    la cohsion du matriau

    et ninterviennent pas dans

    la conductivit lectrique.

    En rendant ces liaisons

    covalentes conductrices,

    on obtient une nouvelle

    famille de supraconducteurs.

    La temprature critique des

    matriaux covalents atteint

    aujourdhui 39 K dans MgB2,

    mais pourrait largement

    dpasser cette valeur dans

    certains composs carbons.

    Les semi-conducteurs supraconducteurs du groupe IV

    Historique Lorsquil sagit de supraconductivit,

    lattention est souvent focalise sur les records de temprature critique (Tc) et la comprhension des mcanismes non conventionnels conduisant ces temp-ratures leves. Nanmoins, le domaine de la supraconductivit traditionnelle, vhicule par linteraction entre lectrons et vibrations du rseau (les phonons) et dcrite par la thorie de Bardeen, Cooper et Schrieffer (BCS) [1], traverse priodi-quement des priodes de jouvence lies la synthse de nouveaux matriaux, ou la mise en vidence dune transition lectro-nique particulire dans des matriaux dj connus. Lide quun semi-conducteur dop puisse devenir supraconducteur avait dj fait son chemin dans les annes 1960. La supraconductivit fut mme observe lpoque dans SrTiO3 et Ge1-xTe, mais elle ne suscita que peu dintrt, du fait que les tempratures critiques taient inf-rieures 0,5 K [2]. Au contraire, la dcou-verte spectaculaire, en 2001, de la supra-conductivit de MgB2, avec Tc ~ 39 K, soit prs de deux fois le record tabli par

    Nb3Ge en 1973 (Tc ~ 23 K), relana srieusement lintrt pour les supracon-ducteurs conventionnels.

    Au-del de la faible masse des atomes de bore, qui conduit des frquences de phonons leves favorisant ainsi une haute Tc, la valeur exceptionnelle de 39 K est la consquence directe de la contribution la conduction lectronique des liaisons covalentes (notes ) du bore (liaisons planaires de type sp2, voir les schmas A et B de la figure 1). MgB2 cristallise dans une structure hexagonale constitue de feuillets de bore (fig. 1c, p. 5 ; fig. 5, p. 8), avec une struc-ture en nid dabeilles quivalente celle du graphite (fig. 1a), spars par les atomes de Mg. Dans le graphite, la bande lectro-nique forme par les liaisons assure la cohsion des plans et est situe bien en des-sous de lnergie de Fermi EF (fig. 2a). Par consquent, la conduction nest pas assu-re par les lectrons , mais uniquement par le recouvrement des orbitales pz (liaisons perpendiculaires aux plans) des atomes dun mme plan ou de plans adjacents. Dans MgB2, la prsence des ions Mg

    2+ entre les feuillets de bore conduit un dcalage important des nergies, jusqu

    Thierry Klein(1) (thierry.klein@grenoble.cnrs.fr), Xavier Blase(1), Christophe Marcenat(2), Claude Chapelier(2) et tienne Bustarret(1) (1) Institut Nel, CNRS et Universit Joseph Fourier, BP 166, 38042 Grenoble Cedex. (2) SPSMS, UMR-E CEA / UJF Grenoble 1, INAC, 38054 Grenoble.

    4Couplage fort entre lectrons et phononsDans la thorie de Bardeen, Cooper et Schrieffer (BCS) [1, 3], la temprature critique Tc est celle au-dessus de laquelle la densit de quasi-particules (paires de Cooper thermiquement dissocies) devient trop importante pour permettre un condensat supraconducteur stable. Si cette densit dpend de la valeur de la bande interdite supraconductrice (ou gap), est lui-mme dtermin de manire auto-cohrente par la densit de quasi-particules. La temprature critique, Tc = 1,13 hD exp (-1/N(EF)V), est donc celle laquelle est rduit zro. Lexposant -1/N(EF)V provient de lapproximation de BCS, valable pour N(EF)V

  • ramener le haut de la bande au-dessus de EF (fi g. 2c). La conduction se trouve alors assure la fois par la bande et par la bande . Comme elles sont intimement lies lalignement planaire prcis des atomes B (ou C), les orbitales sont trs sensibles aux vibrations de ces atomes. Par consquent, elles donnent lieu un couplage lectronphonon el-ph particu-lirement fort et une Tc anormale-ment leve (encadr 1). MgB2 est ainsi le premier exemple dune supraconducti-vit multiple , forte en ce qui concerne les lectrons de la bande , mais faible pour les lectrons de la bande .

    Cependant, MgB2 nest pas le premier exemple de systme covalent supracon-ducteur ayant une Tc (relativement) leve. En effet, en 1995, une temprature critique de lordre de 8 K avait t dcouverte dans les clathrates de silicium dops au baryum [4]. Les clathrates sont construits partir de cages de silicium Sin (avec n = 20, 24, 28), qui partagent certaines de leurs faces (atomes marron de la fi gure 1d). Les atomes Si y conservent leur confi guration ttra-drique sp3, formant des liaisons covalentes trs directionnelles et localises entre les atomes premiers voisins. Cest lanalogue en trois dimensions (sp3) des liaisons pla-naires (sp2) de MgB2. Dans les deux cas, les liaisons assurent la rigidit structurale et un couplage lectron-phonon effi cace. Cependant, les clathrates de silicium sont semi-conducteurs, avec une bande interdite de lordre de 1,8 eV. Il faut introduire des impurets dans ces matriaux (les doper ) de manire les rendre conducteurs. Cest la structure mme des clathrates qui le permet, en autorisant une intercalation aise datomes de baryum aux centres des cages (atomes verts de la fi gure 1d). Ba8Si46 fut ainsi le premier semi-conducteur de la colonne IV prsentant une supraconducti-vit plusieurs kelvins.

    5Refl ets de la Physique n 33

    4D

    ossie

    r

    supr

    acon

    ducti

    vit

    Graphite

    1

    0,5

    0

    N(E)

    1

    0,5

    0

    CaC6

    1

    0,5

    0

    MgB2

    EF

    -15 -10 -5 0 5 10 E-EF (eV)

    N(E)

    N(E)

    EF

    EF

    1. Principales structures des supraconducteurs covalents. (a) La structure graphitique du carbone est compose de feuillets hexagonaux. (b) Entre ces plans de carbone (gris) peuvent tre intercals des lments comme Ca ou Y (verts). (c) MgB2 a une structure cristallographique analogue, pour laquelle les plans B (roses) sont spars par le Mg (vert) (voir aussi la fi gure 5, p. 8). (d) Les clathrates de Si sont des structures en cage (Si46, marron), au centre desquelles sont insrs des atomes de Ba (verts). (e) Le diamant peut tre dop par substitu-tion (par exemple au bore, atome rose) jusqu obtenir des alliages de type B-C pour lesquels une trs forte valeur de Tc a t prdite. (f) De mme, des hautes Tc ont t prdites dans les clathrates de carbone. Dans le graphite (a), la conduction lectrique est assure par les bandes (voir schmas A et B) auxquelles sajoute, dans le cas du graphite intercal (b), une conduction par la bande . Dans les autres cas, les liaisons covalentes jouent un rle fondamental, soit en structure planaire [sp2, (c)], soit en structure tridimensionnelle [sp3, (d-f)].

    2. Densit dtats lectroniques N(E) en fonction de lnergie E, pour le graphite (a), CaC6 (b) et MgB2 (c). Dans ce diagramme, le niveau de Fermi EF correspond lnergie du dernier niveau lectronique occup T = 0 K. Seuls les lectrons proches de EF contribuent aux proprits lectroniques et thermiques du solide : la densit N(EF ) des tats lectroniques EF joue donc un rle fondamental. Notamment, elle intervient directement dans le coeffi cient de couplage entre lectrons et phonons, e-ph = N(EF )V, o V est un potentiel dinteraction traduisant la force du couplage. (a) Dans le graphite, les niveaux lectroniques forms par les liaisons (en gris) se trouvent en dessous de EF. La conductivit est dtermine par le minimum de densit dtats au milieu des niveaux (en mauve). (b) Dans CaC6, lnergie de Fermi est dplace dans les niveaux dits , hybrides entre les liaisons du C et les niveaux du Ca. (c) Enfi n, dans MgB2, le niveau de Fermi se trouve dans la bande .

    Graphite CaC6 Tc = 11,5 K

    MgB2 Tc = 39 K

    Ba@Si-46 Tc = 8 K

    Diamant dopTc = 10 K

    F@C-34 Tc = 77 K (?)

    sp2

    sp2sp2

    p

    Orbitale :recouvrement

    de 2 orbitales sp2

    Orbitale :recouvrement de 2 orbitales p

    ba c A

    ed f B

    >>>

    b

    a

    c

    La liaison sp2

  • Reflets de la Physique n 336

    Lorsque diamant et silicium deviennent supraconducteurs.

    Outre sa structure de type graphite (hybridation sp2), il est bien connu que le carbone peut cristalliser dans la structure diamant (sp3, fig. 1e). Le diamant et le silicium, qui ont des structures cristallo-graphiques quivalentes, sont probablement les systmes covalents les plus connus. Le premier, car il est le prototype des isolants et le matriau le plus dur qui soit, et le second parce quil est le constituant principal de llectronique moderne. Or, la question de savoir si ces composs peuvent galement tre supraconducteurs navait pas reu de rponse jusqu un pass rcent.

    La relation empirique dj voque entre covalence, rigidit, et ampleur de el-ph entrana la rencontre de deux communau-ts distinctes : celle travaillant sur les matriaux ultra-durs et celle sintressant la supraconductivit.

    Ainsi, au dbut des annes 2000, le dia-gramme de phases ternaire C:B:N faisait lobjet de nombreuses tudes visant laborer des systmes de trs haute duret. En 2004, deux groupes russirent syn-thti