TP Physique du solide, Master 1-Physique

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    05-Jan-2017

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<ul><li><p>TP Physique du solide, Master 1-Physique Institut Nel, Polygone Scientifique - Grenoble (E214) </p><p> 1re Partie Transition lectronique dans les composs 1D (K0.3MoO3) et 2D (K0.9Mo6O17) </p><p>2me Partie Proprits supraconductrices du Niobium Transition lectronique dans les systmes de basse dimensionalit. </p><p>Transition mtal-isolant dans un compos quasi-unidimensionnel (K0.3MoO3) Peierls a montr ds 1954 quun systme unidimensionnel </p><p>monovalent pouvait tre instable vis d'une dformation du rseau </p><p>atomique o les atomes se rapprochent pour former des paires. En </p><p>effet, cette dformation saccompagne de louverture dun gap dans </p><p>la structure lectronique. Expliquez pourquoi le cot nergtique li </p><p> la dformation lectrique du rseau est alors compens par un </p><p>gain en nergie lectronique (voir figure ci-dessous). A quelle </p><p>condition, louverture de ce gap saccompagne-t-elle dune </p><p>transition mtal-isolant ? La densit lectronique ntant plus uniforme, on parle de la </p><p>cration dune onde de densit de charges . </p><p>Il a nanmoins fallut attendre prs de 20 ans </p><p>avant que ne soit trouve une preuve </p><p>exprimentale de cette transition (dans un </p><p>compos organique) car la transition mtal-</p><p>isolant napparat que dans les systmes 1D, </p><p>pourquoi ? Le but de la 1re partie de ce TP est </p><p>de mettre en vidence cette transition dans un chantillon de bronze bleu de Molybdne </p><p>K0.3MoO3. La structure cristallographique de ce systme est reprsente ci-dessus. La </p><p>conduction lectronique se fait le long des octadres de MoO6, justifiez pourquoi ce compos </p><p>peut effectivement tre assimil un systme unidimensionnel. Selon quel axe est-il prfrable </p><p>de raliser les contacts lectriques. </p><p>Afin den mesurer la conduction lectrique, deux contacts de courant ont t raliss sur les </p><p>bords de lchantillon, 2 autres contacts serviront mesurer la diffrence de potentiel </p><p>correspondante. Lchantillon est mont sur un support coupl une rsistance tmoin </p><p>qui servira de thermomtre et un enroulement chauffant. </p></li><li><p>Afin de mesurer la rsistance en fonction de la temprature, </p><p>lensemble sera plong dans un bain dHlium liquide. Il il est </p><p>alors important de recouvrir le porte-chantillon dune </p><p> chaussette de quartz. Discutez (brivement) les contraintes </p><p>lies un montage permettant de mesurer la dpendance en </p><p>temprature dune grandeur physique (ici la rsistance). Quels </p><p>sont les diffrents mcanismes dchange thermique pouvant </p><p>intervenir entre lchantillon et le milieu extrieur ? </p><p>Aprs avoir vrifi que tous les connecteurs sont branchs (1 </p><p>connecteur Jaeger et 2 BNC), allumez la source de courant </p><p>K6221 et le voltmtre HP3458 (au besoin teignez-les puis </p><p>rallumez-les). Lancez le programme dacquisition RESISTIVITE TP . </p><p>[1]. Rglez les paramtres de la source Keithley 6221: I=10mA ; I=10% ; Compliance=10V. </p><p>[2] Faites une mesure de la caractristique courant/tension, entre 0 20 mA par pas de 1 mA, </p><p>[3] Placez la canne porte - chantillon dans la bouteille dHlium (position haute). Plongez </p><p>progressivement la canne dans la bouteille (comptez environ 20 min pour descendre la </p><p>temprature jusqu environ 20 K). Dans le fichier de donnes les deux premires colonnes </p><p>correspondent respectivement T et V/I. Reprez la valeur de la temprature (Tp) </p><p>correspondant la transition mtal - isolant. On suppose que pour T</p></li><li><p>de v). En dduire que votre courbe V-I est quivalente une courbe Force Vitesse. Montrez </p><p>quil existe une force critique (Fc) en dessous de laquelle v=0, quoi est-elle due ? </p><p>En 1954, Frhlich avait propos un modle de supraconductivit bas sur le glissement des </p><p>ondes de densit de charges dans les systmes 1D. Ce modle sest avr inexact et Bardeen, </p><p>Cooper et Schrieffer montrrent trois ans plus tard que la supraconductivit pouvait tre due </p><p> un couplage indirect entre deux lectrons via lchange dun phonon . </p><p>Cas du compos quasi-bidimensionnel (K0.9Mo6O17) Remontez la canne et remplacez lchantillon par le bronze violet (lorsque la canne est </p><p>chaude). Demandez conseil lenseignant pour remplacer lchantillon ! Il sagit galement </p><p>dun oxyde de Molybdne dop au K mais de composition lgrement diffrente de celle du </p><p> bronze bleu (K0.9Mo6O17). Vrifiez quil ny a aucune pression dans le vase dHlium </p><p>avant son ouverture. Attention, lhlium peut provoquer de graves brlures et louverture du </p><p>vase doit tre faite avec le maximum de prcaution (veillez toujours porter des gants). En </p><p>suivant la procdure prcdente, faites une courbe R(T). En quoi est-elle diffrente de la </p><p>prcdente. </p><p>Contrairement au bronze bleu, le bronze violet nest pas </p><p>un compos 1D mais prsente une structure en feuillets </p><p>quasi 2D. La surface de Fermi est reprsente sur la figure </p><p>ci-dessous. De combien de bandes cette surface de Fermi </p><p>est elle constitue ? Expliquez brivement pourquoi ces </p><p>surfaces de Fermi ne sont-elles pas circulaires ? </p><p>Expliquez pourquoi dans ce cas louverture du gap (lie </p><p>la dformation structurale) ne peut tre que partielle. Cette surface de Fermi prsente </p><p>nanmoins une particularit appele unidimensionalit cache , expliquez lorigine de </p><p>cette dnomination (discutez en si ncessaire avec lenseignant). </p><p>Supraconductivit Certains matriaux prsentent ltonnante proprit davoir une rsistance lectrique </p><p>parfaitement nulle en dessous dune temprature critique note Tc : on les appelle </p><p>supraconducteurs. Ces matriaux ont par ailleurs une seconde proprit tout aussi </p><p>remarquable : celle de pouvoir dexpulser totalement le linduction magntique, B=0. </p></li><li><p>On se propose dtudier ici les proprits supraconductrices du Niobium, dont la structure de </p><p>bandes est reprsente ci-contre. Que peut-on en conclure quant aux proprits lectroniques </p><p>de cet lment ? La surface de Fermi correspondante est reprsente ci-contre. Vrifiez que </p><p>cette SF est bien en accord avec la structure de bandes. A quelle partie de la SF est associe la </p><p>bande #2, quelle est la nature des porteurs de cette bande. Tracez schmatiquement lallure de </p><p>la densit dtats associe cette structure de bandes entre -0.7Ry et +0.7Ry [pour plus de </p><p>renseignements et comparer votre courbe la courbe calcule voir avec lenseignant pour </p><p>accder larticle de A.R.Jani et coll. Physical Review B 38, 9425 (1988)] </p><p> [A] Distribution du champ dans un supraconducteur Un morceau de Nb est plac sur une croix de Hall . En prsence dun courant I, la tension </p><p>V mesure sur la croix est alors directement proportionnelle linduction magntique B la </p><p>surface de lchantillon (perpendiculaire la croix) : </p><p>RH=V/I=kB. Rappelez brivement lorigine de leffet Hall </p><p>dans les mtaux. On se propose de mesurer dans un premier </p><p>temps la dpendance en temprature de linduction B ( la </p><p>surface de lchantillon) en prsence dun champ extrieur </p><p>0H=10G. Pour cela la croix de Hall et lchantillon sont </p><p>placs sur un porte-chantillon similaire celui dcrit dans </p><p>la partie prcdente (mesure de rsistance). Lensemble est </p><p>plong dans lHlium et la rsistance de Hall RH (donc </p><p>linduction B) est lue laide dun pont de rsistance AC (modle LR700). </p><p>[1] Lancer le programme SUPRA_TP . Vrifiez que les options bobine 4T horizontal , </p><p> alim cryogenics et read lockin (slectionner le SR 830) sont bien slectionnes. Deux </p><p>graphes montrent la temprature en fonction du temps et la rsistance de Hall RH en fonction </p><p>de la temprature. Chauffez (rapidement) 20K (paramtres P,I,D =20, 5, 0 ; heater range </p></li><li><p>=2 ; Rate T = 10 K/min puis OK ) pour r-initialiser le matriau puis redescendez 5K. </p><p>Appliquez un champ 0H=10G (set field=10 et rate=0.1 puis OK ). On se place alors au </p><p>point A de la figure ci-dessous. </p><p>[2] Cliquez sur write to file puis lancez la rampe en temprature entre 5K et 15K (1K/mn, </p><p>trajet A-B) puis entre 15K et 5K (trajet B-A). Tracez RH en fonction de T. RH est en fait de la </p><p>forme RH(B,T)= k.B(T) + R0(T). Dans ltat normal (T&gt;Tc) le matriau est non magntique </p><p>(B=0H=10G) alors que dans ltat supraconducteur (T</p></li></ul>

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