Le paradoxe de la jonction Josephson superconductrice / isolante résolu

Publié par Redbran le 08/03/2021 à 13:00
Source: CEA IRAMIS
En 1983, iI a été prédit théoriquement par A. Schmid que toute jonction Josephson dans son état fondamental, shuntée par une résistance R de forte valeur ne devrait pas être supraconductrice mais isolante.

Même si plusieurs expériences avaient prétendu confirmer cette théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...), des physiciens du SPEC et d'universités allemandes viennent de démontrer que l'état isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....) prévu n'existe pas. Ce résultat résout ainsi le paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un...) créé par la prédiction, selon lequel à la limite R infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus,...), aucune jonction Josephson ne devrait être supraconductrice !

En 1962, Josephson prédit qu'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) peut circuler sans tension (La tension est une force d'extension.) appliquée à travers une fine couche isolante séparant deux supraconducteurs. Suite à cette découverte de la "jonction Josephson" (JJ), un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de dispositifs électroniques quantiques aux propriétés uniques ont fleuris: magnétomètres à SQUIDs, amplificateurs paramétriques, circuits logiques RSFQ (Rapid Single Flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) Quantum), qubits supraconducteurs... Parmi ces dispositifs, l'étalon de tension Josephson a notamment permis de baser le système d'unités international sur les effets quantiques en 2019.

Ces dernières années, les dispositifs électroniques quantiques basés sur une JJ ont également été très cités, du fait des recherches intenses et des énormes progrès réalisés pour la fabrication de "processeurs quantiques", capables d'effectuer certains calculs hors de portée des super-ordinateurs. Toutes ces réussites d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) témoignent du fait que le comportement des JJ semble bien compris.

Pourtant, une équipe de chercheurs de SPEC et de théoriciens allemands [1] montre, dans une publication récente pouvant paraitre surprenante, que le couplage électromagnétique d'une JJ avec une simple résistance était jusqu'à présent mal compris et incohérent.

Plus précisément, il était admis que toute jonction Josephson dans son état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus...), shuntée par une résistance R de grande valeur ne devait pas être supraconductrice mais isolante , en raison d'une transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la...) quantique dissipative se produisant à R = RQ = h/4e² ≈ 6.5 kΩ. Cette prédiction originale, faite par A. Schmid en 1983, a été depuis amplement confirmée théoriquement et quelques expériences réalisées dans les années 90 ont prétendu avoir vérifié cette prédiction. L'article original de A. Schmid a ainsi été cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la...) environ 400 fois et sa prédiction a été largement considérée comme incontestable.

Malgré cette unanimité, la prédiction initiale d'un état isolant induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) par la dissipation dans une JJ restait troublante, car elle conduit à un paradoxe dans la limite R→∞: pour cette limite, la résistance peut en effet, être simplement éliminée du circuit et l'on doit retrouver le résultat initial de Josephson: la JJ doit être supraconductrice, en contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.) avec la prédiction de A. Schmid. Curieusement, peu de scientifiques semblaient se soucier de cette incohérence théorique, plutôt triviale, bien qu'ancienne.

En effectuant des mesures bien contrôlées de JJ connectées à des résistances supérieures à RQ, les physiciens du SPEC et leurs collègues allemands montrent que la réponse linéaire des JJ sature à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en conservant sans ambiguïté un caractère supraconducteur (voir Fig.1). Ces résultats expérimentaux excluent l'existence de la transition de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) prédite par A. Schmid dans les JJ.


Figure 1.

(a) Symbole d'une jonction Josephson (en bleu) shuntée par une résistance R (en rouge). La jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") possède deux énergies caractéristiques, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) EC et l'énergie de couplage Josephson EJ.

(b) Croquis du diagramme de phase (Un diagramme de phase est une représentation graphique utilisée en thermodynamique (voir...) du circuit en (a), avec un état fondamental isolant prévu (en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) pâle) dès que R > RQ = h/4e² ≈ 6.5 kΩ, et un état fondamental supraconducteur (en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...) pâle) si la condition n'est pas vérifiée. Cette transition de phase prédite contredit la limite simple R→∞, où la jonction est supraconductrice. Les deux échantillons étudiés S1 et S2 sont également observés comme supraconducteurs bien que placés à l'intérieur de la phase isolante prédite.

(c) Micrographie en fausses couleurs d'un des échantillons étudié. La résistance (rouge) est constituée de chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.), et la jonction (bleu-gris, en bas) est en fait une boucle SQUID en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....) traversée par un flux magnétique Φ, constituant une jonction Josephson avec un EJ(Φ) accordable.

(d) À basse température, la transmission (|S21|2) de gauche à droite à travers un des échantillons sature jusqu'à une valeur dépendant du flux. C'est une preuve que le SQUID reste supraconducteur.

Au-delà de l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...), les auteurs expliquent que la prédiction de A. Schmid n'est en fait valable que pour les systèmes à l'état "normal", mais pas pour les systèmes supraconducteurs (et donc en particulier pas pour une JJ). En effet, bien que ces deux types de systèmes (conducteur normal ou supraconducteur) soient décrits par des équations effectives 1D similaires, une différence subtile dans la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par...) (linéaire vs circulaire) de la coordonnée qui décrit leur couplage à la résistance R (en tant qu'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) dissipatif) change radicalement leur physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...).

L'article résout donc cette incohérence théorique et fournit une compréhension simple et unifiée de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) des JJ avec leur environnement électrique. Ce travail peut ouvrir la voie à de nouveaux dispositifs supraconducteurs à haute impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:) basés sur les JJ, qui étaient auparavant considérés comme irréalisables en raison de la transition de phase prévue.

Référence:
[1] Absence of a dissipative quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) phase transition in Josephson junctions,
A. Murani, N. Bourlet, H. le Sueur, F. Portier, C. Altimiras, D. Esteve, H. Grabert, J. Stockburger, J. Ankerhold, and P. Joyez, Phys. Rev. X 10, 021003 (2020).

Contacts CEA:
Philippe Joyez, Quantronics Group (SPEC/GQ)

Collaboration:
- Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC), UMR 3680 CEA-CNRS
- Physikalisches Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...), Universität Freiburg
- Institute for Complex Quantum Systems and IQST, University of Ulm.
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