Un transistor cryogénique pour observer un supraconducteur
Publié par Redbran le 17/04/2019 à 14:00
Source: CNRS INSIS
Grâce à son expertise dans la réalisation de transistors cryogéniques à haute mobilité électronique, une équipe du C2N a permis à une équipe néerlandaise d'observer à l'échelle atomique les mécanismes qui expliquent le caractère isolant de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) d'un cuprate, un métal-supraconducteur. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Physics.


Figure: CryoHEMT fabriqué au C2N © Y. Jin/C2N
Certains phénomènes électroniques dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) ne peuvent être observés qu'à très basse 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 chaud, provenant du transfert...), 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 l’écriture des...) absolu, afin de minimiser le 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.) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...). Les chercheurs peuvent utiliser dans ce but un microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de physique pour cette invention...) à basse température (LT-STM), dont la pointe fonctionne à moins de 4 Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non « Kelvin »).). Cependant, observer certains comportements des électrons du 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 base sélectionnée en...) restait encore impossible, en raison du câble électrique existant entre la pointe du LT-STM refroidie à très basse température et l'amplificateur (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) à température ambiante (300 Kelvin). En effet, la capacité de ce câble court-circuite les signaux lorsque ces derniers dépassent le kilo-hertz. C'était notamment un obstacle sur lequel butaient les chercheurs qui voulaient étudier le mécanisme qui explique qu'un matériau supraconducteur de type cuprate peut posséder une surface isolante.

Une équipe du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS/Université Paris-Sud-Université Paris-Saclay) a développé une solution en utilisant son expertise dans le domaine de la réalisation de transistors cryogéniques à haute mobilité électronique "cryoHEMTs". Dans le cadre d'une collaboration avec des physiciens 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...) Leiden (Pays-Bas), un amplificateur cryogénique à haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) (MHz) a été optimisé et localisé près de la pointe d'un LT-STM fonctionnant à moins de 4 Kelvin. Grâce à ce dispositif, l'équipe néerlandaise a pu mesurer pour la première fois à l'échelle atomique le bruit super-Poissonien - un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les...) caractéristique des électrons piégés autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) d'impuretés- à la surface du cuprate supraconducteur. Ce phénomène explique l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes...) du supraconducteur, qui est isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les...) dans une direction.

Le transistor cryoHEMT, réalisé dans les salles blanches du C2N (un des 5 sites du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) Renatech) est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le péricarpe du...) d'années de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) et développement au sein du C2N. Il illustre les avancées du laboratoire qui maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon ceux-ci.) l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de la filière (Une filière est une suite de formalités, d'emplois à remplir avant d'arriver à un certain résultat: la filière administrative.): les matériaux, les procédés de fabrication (épitaxie par jet moléculaire, lithographie par faisceau d'électrons, gravure par faisceau d'ions...), et la caractérisation des circuits réalisés. Le cryoHEMT ouvre un nouvel horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien d'autres domaines :) pour le LT-STM, mais également pour d'autres domaines de recherche à très basse température, comme la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) mésoscopique, les nanorésonateurs, les détecteurs en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...), ou encore les détecteurs de matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies....).

Références:
Charge trapping and super-Poissonian noise centres in a cuprate superconductor,
K. M. Bastiaans, D. Cho, T. Benschop, I. Battisti, Y. Huang, M. S. Golden, Q. Dong, Y. Jin, J. Zaanen & M. P. Allan.
Nature Physics (2018)
DOI: 10.1038/s41567-018-0300-z
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