Comprendre le comportement anormal des supraconducteurs désordonnés
Publié par Redbran le 11/01/2019 à 14:00
Source: CNRS INP
Une équipe internationale de physiciens a mis en évidence expérimentalement puis décrit la façon dont les supraconducteurs désordonnés violent le comportement conventionnel des supraconducteurs soumis à un fort champ magnétique. Cette avancée offre des perspectives en informatique quantique (L'informatique quantique est le sous-domaine de l'informatique qui traite des ordinateurs quantiques utilisant des phénomènes de la mécanique quantique, par opposition...), pour l'utilisation de certains types de qubits.


Diagramme de phase champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétiquetempérature (B–T) de l'état supraconducteur. Lorsque la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) diminue en dessous de la température critique Tc, le champ critique Bc(T) augmente. A basse température, la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...) BCS prédit une saturation de Bc(T) illustrée par la ligne pointillée. Dans les supraconducteurs fortement désordonnées, Bc(T) ne sature pas et continue d'augmenter linéairement (ligne continue) jusqu'à T=0.

Les supraconducteurs sont des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) qui perdent leur résistance électrique lorsqu'ils sont refroidis à très basse température. Selon la théorie "BCS" (1957), un supraconducteur dans un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité...) faible expulse le champ et reste supraconducteur. C'est l'effet Meissner (L'effet Meissner est l'exclusion totale de tout flux magnétique de l'intérieur d'un supraconducteur. Il a été découvert par Walther Meissner et Robert Ochsenfeld en 1933 et...). A fort champ magnétique, ce dernier parvient à pénétrer le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de...) supraconducteur sous forme de tubes de tailles nanométriques, appelés des vortex d'Abrikosov. Pour que le matériau devienne supraconducteur, il est essentiel que ces vortex restent immobiles, piégés par la structure du matériau ou par le désordre. En effet, leur déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le...) produit de la dissipation et donc des pertes d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Il existe un champ critique au-delà duquel la supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance...) est totalement détruite, lorsque la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau...) de vortex est telle qu'ils occupent tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) du matériau. Selon la théorie BCS, le champ critique de suppression de l'état supraconducteur croit lorsque la température diminue, puis sature à très basse température (cf. figure).

Ce comportement n'est pas respecté dans les supraconducteurs fortement désordonnés, tels que les alliages ou matériaux amorphes. Le champ magnétique critique continue d'augmenter linéairement à très basse température, ne montrant aucune saturation même proche du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans...) absolu (cf. figure). Ce comportement est resté une énigme durant des décennies. Une équipe internationale de physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) Néel (CNRS), l'Institut Landau de physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.) (Russie), l'Institut Weizmann (Israël) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de l'Utah (USA) a levé le voile sur cette anomalie. Ils ont étudié la densité de courant (La densité de courant électrique est définie comme le courant électrique par unité de surface (figure). Mathématiquement, le courant et la densité de courant sont liés par la relation :) critique définie comme la densité de courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un...) maximum que le supraconducteur peut maintenir avec une résistance nulle. Au-delà, la supraconduction disparaît et le matériau devient résistif.

Les auteurs se sont intéressés aux films amorphes d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) d'indium, un supraconducteur modèle dont la nature amorphe génère un désordre très élevé. Cette étude a nécessité une instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) aux limites des savoir-faire, afin de mesurer des courants supraconducteurs de quelques nano ampères sur des films de l'ordre du centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.), dans des conditions extrêmes (-273.05 °C et 14 Tesla). Ces mesures inédites dans ce domaine ont nécessité une isolation très poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) vis-à-vis de tout bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) électromagnétique extérieur. Elles ont mis en évidence un comportement inattendu de la densité de courant supraconductrice: elle dépend de façon très simple de l'écart entre le champ appliqué et le champ critique, selon une loi de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) d'exposant (Exposant peut signifier:) 3/2. Cet exposant est la clé pour comprendre l'augmentation linéaire du champ critique lorsque la température diminue. Les chercheurs ont montré théoriquement que ce comportement résulte des fluctuations thermiques des vortex d'Abrikosov dans le supraconducteur. C'est le premier modèle théorique, confirmé expérimentalement, décrivant l'augmentation linéaire anormale du champ critique.

Les supraconducteurs désordonnés offrent des perspectives pour informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le...) quantique, en particulier pour les qubits hybrides alliant supraconducteurs désordonnés et technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.). En effet, le désordre produit une super inductance (L'inductance d’un circuit électrique est un coefficient qui traduit le fait qu’un courant le traversant crée un champ magnétique à travers la section entourée par ce circuit. Il en résulte un flux du champ magnétique à travers...) qui protège de tout bruit électromagnétique extérieur la fragile intrication des qubits, à la base du stockage de l'information. Une condition indispensable pour mettre au point (Graphie) des circuits quantiques supraconducteurs

Référence publication:
Low-temperature anomaly in disordered superconductors near Bc2 as a vortex-glass property
Benjamin Sacépé, Johanna Seidemann, Frédéric Gay, Kevin Davenport, Andrey Rogachev, Maoz Ovadia, Karen Michaeli et Mikhail V. Feigel'man
Nature Physics (2018), doi:10.1038/s41567-018-0294-6

Contact chercheur:
Benjamin Sacépé, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Institut Néel (CNRS)
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