Description du sujet de thèse

Inhomogénéités dans les supraconducteurs à bande plate

Des études expérimentales récentes sur le graphène bicouche torsadé (TBG) et d'autres matériaux torsadés ont révélé des diagrammes de phase d'une complexité inattendue avec des phases exotiques de la matière quantique [1]. Parmi celles-ci, elles ont révélé des phases supraconductrices hautement non conventionnelles avec des bandes ultraplates, qui ne peuvent pas être décrites par la théorie BCS conventionnelle. En raison de leur très faible vitesse de Fermi, la longueur de cohérence supraconductrice  prédite par la théorie BCS (qui est proportionnelle à la vitesse de Fermi) est plus de 20 fois plus courte que les valeurs mesurées. Des développements théoriques récents [2] montrent que la longueur de cohérence est plutôt régie par la métrique quantique des états de Bloch (qui mesure la distance entre deux états de Bloch adjacents).
Lorsqu'une impureté magnétique est intégrée dans un supraconducteur, son moment local agit comme un briseur de paires de Cooper, créant des excitations d'états liés intra-gap dont l'étendue spatiale peut être extrêmement grande et est régie par . Ceci est également vrai pour d'autres états liés dans les supraconducteurs tels que les états liés d'Andreev dans les jonctions normales supraconductrices ou les états liés de Majorana dans les supraconducteurs topologiques. Dans cette thèse, nous aimerions étudier théoriquement comment le paramètre d'ordre supraconducteur réagit à diverses inhomogénéités. Plus précisément, nous aimerions tout d'abord analyser le problème d'une impureté magnétique dans un supraconducteur à bande plate et déchiffrer si et comment la métrique quantique apparaît dans l'équation de l'état lié. Nous l'étendrons ensuite à de nombreuses impuretés et à d'autres sources d'inhomogénéités.
À plus long terme, notre compréhension des systèmes hybrides (jonctions Josephson) impliquant de tels supraconducteurs à bande plate doit être complètement révisée : cela inclut toute l'ingénierie quantique qui a été développée avec les supraconducteurs mésoscopiques.

[1] Y. Cao et al., Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices, Nature 556, 43 (2018).
[2] S. A. Chen and K. T. Law, Ginzburg-Landau Theory of Flat-Band Superconductors with Quantum Metric, Phys. Rev. Lett. 132, 026002 (2024).
[3] G. C. Ménard et al., Coherent long-range magnetic bound states in a superconductor, Nature Physics 11, 1013 (2015).

Contexte de travail

Le Laboratoire de Physique des Solides est une unité mixte de recherche (UMR 8502) de l'Université Paris-Saclay et du CNRS. Il est affilié à l'Institut de Physique du CNRS et à la 28e section du Conseil National des Universités. Le LPS est membre de la Fédération Friedel-Jacquinot, structure de coordination de la physique sur le plateau du Moulon à Orsay (IdF).
Il regroupe une centaine de chercheurs et enseignants-chercheurs, expérimentateurs et théoriciens, et l'activité de recherche est soutenue par une soixantaine d'ingénieurs, techniciens et administratifs.
Le laboratoire accueille chaque année un grand nombre d'étudiants de premier et deuxième cycle dont de nombreux doctorants, ainsi que des chercheurs en postdoctorat et des scientifiques invités. Le laboratoire couvre une plus grande variété de sujets que son nom ne le suggère, et vise à aborder toute la diversité de la physique de la matière condensée. L'activité de recherche s'organise autour de trois grands axes, qui impliquent chacun à peu près le même nombre de scientifiques :
• Nouveaux états électroniques de la matière
• Phénomènes physiques aux dimensions réduites
• Matière molle et interface physique-biologie
Dans le premier axe sont regroupées des études tant expérimentales que théoriques ayant trait aux propriétés des systèmes dans lesquels les corrélations électroniques sont généralement fortes et qui sont sièges de propriétés remarquables et d'états électroniques non conventionnels tels que la supraconductivité, le magnétisme, les transitions métal-isolant etc.
Dans le deuxième se retrouvent les activités relevant des « nanosciences » au sens large. Elles sont ici abordées du point de vue des propriétés fondamentales, lorsque les dimensions d'un objet deviennent aussi petites que certaines distances caractéristiques (longueur de cohérence, libre parcours moyen, …).
Le troisième axe, étend le concept de « matière molle » à des systèmes biologiques. Les thèmes vont donc des systèmes complexes aux tissus vivants, des cristaux liquides aux mousses, en passant par les polymères ou les systèmes granulaires. Ces études physiques sont à l'interface avec la physico-chimie et la biologie.
Le travail de recherche s'effectuera au sein de l'équipe THEORIE du Laboratoire de Physique des Solides (CNRS-UMR 8502). Ce projet de recherche bénéficie d'un financement du CNRS du 01/10/2025 au 30/09/2028.

Contraintes et risques

Pas de risques.