Engineering topological states in arrays of magnetic molecules in interaction with a 2D superconductor

Ingénierie d'états topologiques dans des assemblages de molécules magnétiques en interaction avec un supraconducteur 2D

Danilo Longo (1)

1 INSP - Institut des Nanosciences de Paris

Recent studies predicted that the interaction between a 2D superconductor and local magnetism could induce topological superconductivity accompanied by Majorana edge states. To address this challenge, we have studied a system based on the interaction between self-assemblies of molecular magnets, i.e. manganese phthalocyanines (MnPcs), and thin films of lead (1 and 3 monolayers) grown on Si(111) surfaces that show 2D superconductivity.Our Scanning Tunneling Microscopy (STM) experiments revealed that, adsorption of a tiny amount of MnPcs on a Pb monolayer is accompanied by a very small charge transfer inducing a macroscopic structural phase transition of the surface itself. Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) experiments at 300mK on 3 monolayers thick islands of Pb/Si(111) showed the presence of non-trivial effects responsible for the spatial fluctuation of the coherence peaks amplitude on a length scale much smaller than the superconducting coherence length. Furthermore, contrary to what shown on bulk Pb substrates, STS experiments strongly suggest that isolated MnPcs are always found in a weak interaction regime with the 3 monolayers thick Pb islands. Our results together with the observation of an in-gap spectroscopic feature located at the edge of a self-assembled 2D domain of MnPcs pave the route to future studies for the engineering of superconducting topological phases..

Des études récentes ont prédit que l'interaction entre un supraconducteur 2D et du magnétisme local pourrait induire une supraconductivité topologique accompagnée d'états de bord de type Majorana. Pour relever ce défi, nous avons étudié un système basé sur l’interaction entre des auto-assemblages d’aimants moléculaires, tels que les phtalocyanines de manganèse (MnPcs), sur des films minces de plomb (1 et 3 monocouches) épitaxiés sur des surfaces de Si(111) qui montrent une supraconductivité 2D. Nos expériences de Microscopie à effet tunnel (STM) ont révélé que l'adsorption d’une petite quantité de MnPcs sur la monocouche de Pb est accompagnée d’un très faible transfert de charge qui induit une transition de phase structurale macroscopique de la surface elle-même. Les expériences de Spectroscopie à effet tunnel (STS) à 300 mK sur des îlots tricouches de Pb/Si(111) ont montré la présence d'effets non triviaux responsables de la fluctuation spatiale de l’amplitude des pics de cohérence sur des longueurs bien inférieures à la longueur de cohérence supraconductrice. De plus, contrairement à ce qui a été montré sur des monocristaux de plomb, les expériences STS suggèrent que les MnPcs isolées sur des îlots tricouches de plomb se trouvent toujours dans un régime d'interaction faible avec le substrat. L’ensemble de nos résultats, ainsi que l’observation d’une signature spectroscopique localisée sur le bord d’un domaine auto-organisé de MnPcs ouvrent la voie à de futures études sur l’ingénierie des phases topologiques supraconductrices.

Mots clés: Topological superconductivity; Molecular magnets; Thin films; Lead; Manganese phthalocyanines; Shiba state; Structural phase transition; Two dimensions

Mots clés: Supraconductivité topologique; Aimants moléculaires; Films minces; Plomb; Phtalocyanines de manganèse; États de shiba; Transition de phase structurale; Deux dimensions

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]; Supraconductivité [cond-mat.supr-con]

Danilo Longo. Engineering topological states in arrays of magnetic molecules in interaction with a 2D superconductor. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Sorbonne Université, 2019. English. ⟨NNT : 2019SORUS224⟩. ⟨tel-02954144⟩