Un courant supraconducteur magnétisé et supercohérent

Publié par Redbran le 08/12/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
Le courant passant par une jonction entre deux matériaux supraconducteurs, appelée jonction Josephson, a à la fois des propriétés quantiques et des propriétés supraconductrices. Les chercheurs ont créé un dispositif pour lequel le courant est magnétisé et la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) caractéristique de la cohérence quantique est décuplée, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en ayant un effet supraconducteur à plus haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...).


(a) Image d'un dispositif vue d'en haut (microscopie optique), ALO désigne l'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....) Al2O3.
(b) Image de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) électronique en transmission montrant une coupe transversale de l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) YBCO/LSMO. Les couleurs à droite correspondent à une cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le...) réalisée par spectroscopie d'électrons des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de baryum (Le baryum est un élément chimique de symbole Ba et de numéro atomique 56.) en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...), de lanthanide (L’UICPA définit comme lanthanide tout élément chimique parmi les quinze de...) en jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...) et de manganèse (Le manganèse est un élément chimique, de symbole Mn et de numéro atomique 25.) en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) montrant nettement l'interface entre les deux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...). Crédit: J. E. Villegas, UMPHy (CNRS/Thales)

L'effet Josephson résulte du couplage de deux supraconducteurs à travers un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) ordinaire, métallique ou isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....), laissant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) sans résistance (supracourant), et donc, sans dissipation d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). Il se caractérise aussi par des phénomènes quantiques tels que la modulation du supracourant sous champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) et des résonances sous rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique...). Ces propriétés uniques sont la pierre angulaire de l'électronique supraconductrice.

Pendant des années, des chercheurs ont étudié le couplage Josephson à travers des matériaux ferromagnétiques car ceux-ci ajoutent une propriété intéressante: les spins des électrons qui conduisent le courant sont orientés - on dit qu'ils sont polarisés en spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...). Cette polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) constitue un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) d'information qui est exploité dans un autre champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:), celui de la spintronique. L'objectif ultime est ainsi de développer une "spintronique supraconductrice" dans laquelle l'information portée par le spin serait protégée par la cohérence quantique.

Jusqu'à présent, les réalisations expérimentales ont été circonscrites aux très basses températures (quelques K) pour les effets supraconducteurs, et aux distances de l'ordre de 10 à 100 nanomètres pour les effets Josephson, les phénomènes d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type...) liés à la cohérence quantique restant toutefois encore insaisissables. En utilisant un matériau ferromagnétique "à moitié métallique" (demimétal), c'est-à-dire conducteur pour une polarisation de spin et isolant pour l'autre, ces limites ont été levées et les physiciens viennent de démontrer un effet Josephson à haute température (quelques dizaines de K) et sur de très longues distances (de l'ordre du micromètre).

Ces travaux sont le résultat d'une collaboration entre l'Unité mixte de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) (UMPhy, CNRS/Thales) à Palaiseau, le Laboratoire de physique et études des matériaux (LPEM, CNRS/ESPCI) à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...), le Laboratoire ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) et matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) d'Aquitaine (LOMA, CNRS/Univ. de Bordeaux) et l'Université Complutense de Madrid (L'Université Complutense de Madrid est l'une des principales universités d'Espagne et...). Ils sont publiés dans la revue Nature Materials.

A l'aide de techniques de pulvérisation cathodique (La pulvérisation cathodique (ou sputtering) est une méthode de dépôt de couche...) et de lithographie, les chercheurs ont fabriqué des jonctions Josephson planes à partir d'oxydes supraconducteurs à haute température de type YBCO (YBa2Cu3O7) et d'un demimétal, le LSMO (La0.7Sr0.3MnO3) (figure). Ils ont ainsi étudié le couplage entre deux électrodes en YBCO séparées par un canal de LSMO de taille micrométrique. Par des mesures de courant sous champ magnétique, ils ont démontré la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) d'un supracourant, attesté par sa modulation par le champ magnétique et par des phénomènes de résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) sous rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) micro-ondes qui prouvent l'existence d'une cohérence de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) à l'échelle macroscopique de la longueur du canal. Ces mesures présentent par ailleurs des caractéristiques non-conventionnelles qui étaient attendues dans le cadre de la supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par...) dite "triplet" à l'oeuvre ici, ce type de supraconductivité outrepassant l'antagonisme naturel entre ferromagnétisme (Le ferromagnétisme est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très fortement sous...), pour lequel il y a orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) des spins, et supraconductivité conventionnelle, pour laquelle les spins sont appariés en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) opposés.

Contacts
- Javier Villegas - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Unité mixte de physique CNRS/Thales. javier.villegas at cnrs-thales.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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