Vers une mémoire supraconductrice à effet tunnel

Des physiciennes et des physiciens ont mis en évidence le mécanisme à l'origine de l'électrorésistance géante dans des jonctions tunnel à base de supraconducteurs à haute température. Grâce à leur fonction mémoire, ces dispositifs ouvrent des nouvelles perspectives pour l’électronique supraconductrice.

Figure 1. Schéma de la jonction étudiée (à gauche) et image par microscopie électronique de l'interface entre les matériaux formant la jonction. Le contact avec l’électrode supérieure de MoSi se fait par une ouverture micrométrique dans la surcouche isolante et photorésistante.

L'électrorésistance décrit une variation brutale de la conductivité d'une jonction à effet tunnel lorsqu'elle est soumise à une brève tension électrique. Un peu comme si l'on actionnait un interrupteur capable de laisser passer plus ou moins de courant. Dans certain cas, l'état persiste après l'application de la tension, c'est l'effet mémoire. Ce type d’effet restait jusqu’ici limité aux jonctions tunnel à barrière ferroélectrique.

En utilisant des jonctions à base d’oxydes supraconducteurs, les scientifiques ont eu la surprise de constater que l’on peut reproduire ce comportement avec des jonctions beaucoup plus simples, où l'oxyde et le métal sont directement en contact. Contrairement aux jonctions à barrière ferroélectrique, où l’électro-résistance résulte d'un phénomène électrostatique, elle est produite ici par un mécanisme purement électrochimique, notamment une réaction d’oxydoréduction à l’interface entre les deux matériaux.

Figure 2. Variation de la conductance tunnel (G) en fonction la tension appliquée (Vpol). Les deux niveaux de conductance sont séparés de plusieurs ordre de grandeur.

Les expériences menées démontrent aussi que, lorsque l'on refroidit le dispositif et que l’oxyde entre dans sa phase supraconductrice, les effets de commutation deviennent jusqu’à 30 fois plus importants que dans la phase normale, ce qui était là encore inattendu. Ces travaux sont le résultat d’une collaboration entre l’Unité mixte de physique CNRS/Thales (UMPhy, CNRS/Thales/Université Paris Saclay), le Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (LPEM, CNRS/Sorbonne Université/ESPCI Paris), le Laboratoire ondes et matière d’Aquitaine (LOMA, CNRS/Université de Bordeaux) et l’Université Complutense de Madrid (Espagne). Ils sont publiés dans la revue Nature Communications.

Les expériences ont été menées dans des jonctions (Figure 1) constitués d’un cuprate supraconducteur (électrode inférieure, YBCO) et un supraconducteur métallique conventionnel (électrode supérieure, MoSi). Les chercheurs ont comparé des jonctions dans lesquelles les électrodes étaient en contact direct avec des jonctions ayant une fine couche ferroélectrique entre elles (BFO). Le même comportement a été observé dans les deux cas, notamment la variation de la conductance tunnel entre deux valeurs extrêmes (ON/OFF) par l’application d'une tension Vpol (Figure 2). Les spectres de conductance tunnel ont permis de mettre en évidence une variation de la taille du gap supraconducteur lors du passage d’un état à l’autre, indiquant une variation du contenu en oxygène dans le cuprate. Cette variation résulte des réactions d'oxydoréductions.

Au-delà de leur intérêt fondamental, ces résultats élargissent le champ d’application de l’électro-résistance tunnel, notamment en ouvrant la voie vers des mémoires Josephson - un graal dans le domaine de l'électronique supraconductrice.

Référence:

Quasiparticle tunnel electroresistance in superconducting junctions.
V. Rouco, R. El Hage, A. Sander, J. Grandal, K. Seurre, X. Palermo, J. Briatico, S. Collin, J. Trastoy, K. Bouzehouane, A. I. Buzdin, G. Singh, N. Bergeal, C. Feuillet-Palma, J. Lesueur, C. Leon, M. Varela, J. Santamaria et Javier E. Villegas.
Nature Communications, le 31 janvier 2020.

DOI: 10.1038/s41467-020-14379-w.
Article disponible sur la base d’archives ouvertes HAL.

protagoras 17 mai 2020, 14:50

Bonjour,
Afin de savoir ce qu'est l'effet tunnel pour ceux qui l'ignorent, voici un excellent article de Wikipédia :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_tunnel

Pendesinialessandro 20 mai 2020, 13:17

Bonjour

-La mécanique quantique est ce qui se fait de plus acceptable, sans l’ombre d’une théorie de remplacement envisageable. C’est dire que nous ne connaissons pas d’autres voies que celle de l’abstraction pour accéder au réel. Ainsi se méfiera-t-on des raisonnements élémentaires faisant appel au sens commun et risquant de donner l’illusion qu’il serait possible d’expliquer les choses de façon concrète.
Un proton, particule particulièrement minuscule, insécable, qu’on ne peut pas couper –et pourtant, au cours d’une expérience fameuse, elle passe, au même instant, par deux trous (ou fentes) à la fois. Le fait est là, l’explication attendra.
-La mécanique classique n’a jamais pu expliquer, par exemple, pourquoi le Soleil brille depuis plus de 4 milliards d’années. La mécanique quantique, aidée de la relativité restreinte, a répondu à cette question : il brille depuis longtemps parce qu’il transmute les éléments ; en l’occurrence l’hydrogène en hélium. Le Soleil le brûle par le truchement de ce que nous appelons l’« effet tunnel » (transgression des interdits de la mécanique classique). Le Soleil et les étoiles sont des astres quantiques, cela dit sans contestation possible.

Richard Feynman affirmait : « On peut dire que personne ne comprend vraiment la mécanique quantique ». Les équations de la théorie et leurs conséquences sont utilisées de manière routinière par les physiciens, les ingénieurs, les chimistes et les biologistes, dans les domaines les plus divers. Mais elles restent mystérieuses : elles ne décrivent pas ce qui arrive à un système physique, mais seulement comment un système physique vient influencer un autre système physique. Cela signifie-t-il que la réalité essentielle d’un système qui n’interagit pas est indescriptible ? Ou seulement qu’il manque un bout de l’histoire ? Ou que nous devons accepter l’idée que la réalité n’est qu’interactions ? Il semble que son succès empirique devrait nous inciter à la prendre au sérieux et à nous demander moins ce qu’il y a à changer dans la théorie que ce qu’il y a de limité dans notre intuition, qui nous la rend épineuse. L’obscurité de cette théorie n’est pas due à la mécanique quantique, mais à notre faculté d’imagination limitée » !.... Devrions-nous lui donner tort ?

Pour conclure, à l’état actuel de nos connaissances, oserais-je affirmer que celui qui vous dit qu’il comprend intelligiblement la mécanique quantique vous ment ?

protagoras 20 mai 2020, 15:54

Pendesinialessandro
Bonjour

-La mécanique quantique est ce qui se fait de plus acceptable, sans l’ombre d’une théorie de remplacement envisageable. C’est dire que nous ne connaissons pas d’autres voies que celle de l’abstraction pour accéder au réel. Ainsi se méfiera-t-on des raisonnements élémentaires faisant appel au sens commun et risquant de donner l’illusion qu’il serait possible d’expliquer les choses de façon concrète.
Un proton, particule particulièrement minuscule, insécable, qu’on ne peut pas couper –et pourtant, au cours d’une expérience fameuse, elle passe, au même instant, par deux trous (ou fentes) à la fois. Le fait est là, l’explication attendra.
-La mécanique classique n’a jamais pu expliquer, par exemple, pourquoi le Soleil brille depuis plus de 4 milliards d’années. La mécanique quantique, aidée de la relativité restreinte, a répondu à cette question : il brille depuis longtemps parce qu’il transmute les éléments ; en l’occurrence l’hydrogène en hélium. Le Soleil le brûle par le truchement de ce que nous appelons l’« effet tunnel » (transgression des interdits de la mécanique classique). Le Soleil et les étoiles sont des astres quantiques, cela dit sans contestation possible.

Richard Feynman affirmait : « On peut dire que personne ne comprend vraiment la mécanique quantique ». Les équations de la théorie et leurs conséquences sont utilisées de manière routinière par les physiciens, les ingénieurs, les chimistes et les biologistes, dans les domaines les plus divers. Mais elles restent mystérieuses : elles ne décrivent pas ce qui arrive à un système physique, mais seulement comment un système physique vient influencer un autre système physique. Cela signifie-t-il que la réalité essentielle d’un système qui n’interagit pas est indescriptible ? Ou seulement qu’il manque un bout de l’histoire ? Ou que nous devons accepter l’idée que la réalité n’est qu’interactions ? Il semble que son succès empirique devrait nous inciter à la prendre au sérieux et à nous demander moins ce qu’il y a à changer dans la théorie que ce qu’il y a de limité dans notre intuition, qui nous la rend épineuse. L’obscurité de cette théorie n’est pas due à la mécanique quantique, mais à notre faculté d’imagination limitée » !.... Devrions-nous lui donner tort ?

Pour conclure, à l’état actuel de nos connaissances, oserais-je affirmer que celui qui vous dit qu’il comprend intelligiblement la mécanique quantique vous ment ?

Bonjour,
Je suis vraiment désolé d'être partiellement en désaccord avec vous !
Tout d'abord, sautons votre premier alinéa sur lequel il y aurait beaucoup de choses à préciser, voire à rectifier.
Plus loin, je lis avec étonnement ce passage :
"Un proton, particule particulièrement minuscule, insécable, qu’on ne peut pas couper –et pourtant, au cours d’une expérience fameuse, elle passe, au même instant, par deux trous (ou fentes) à la fois. Le fait est là, l’explication attendra."
Un proton n'est pas insécable ! Il est constitué de deux quarks "up" et d'un quark "down". La charge électrique d'un up est 2/3 et celle d'un down est -1/3 d'où la charge du proton : 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1 ce qui est bien la charge électrique du proton. Mais le proton n'est pas aussi simple : Ses 3 quarks "baignent" dans une mer de quarks et de gluons virtuels. Si on ajoute le fait que les quarks ont, en plus d'une charge électrique, une charge de "couleurs" tout se complique encore un peu plus ! Et nous sommes en plein dans la chromodynamique quantique qu'il faut connaître pour se permettre de discuter la mécanique quantique.
Pour ce qui concerne l'expérience des fentes d'Young, il ne s'agit pas de protons mais soit de photons soit d'électrons.
Les interférences constatées avec les électrons ne s'expliquent vraiment que si on fait appel à la superbe théorie de ""l'intégrale de chemins"
dont le père est le grand physicien américains Richard Feynman, prix Nobel de physique. professeur de physique le jour et joueur de bongo la nuit.
De plus, il faut bien comprendre l'affirmation de Feynman selon laquelle personne ne comprend la mécanique quantique. Il est évident que l'on comprend la théorie, c'est son INTERPRETATION qui pose problème de par la nature non locale de la théorie et un des grands problèmes que l'on rencontre est bel et bien le problème de la mesure !
Et puis, puisque l'on en est aux citations, permettez-moi de vous rappeler celle-ci de Niels Bohr, un des pères fondateurs de la mécanique quantique : "Quiconque étudie la mécanique quantique et n'est pas saisi de vertige n'y a rien compris" !
Certains ouvrages de vulgarisation "expliquent" "l'intrication quantique" ! Eh bien, cette intrication est et est seulement une équation !
La voici : (On considère deux particules p1 et p2 de fonction d'onde Ψ1 et Ψ2 respectivement.
|Ψ> = α|Ψ1> + β|Ψ2> où α et β sont des nombres complexes et |Ψ1> et |Ψ2> sont les vecteurs d’état des deux particules intriquées. Je précise que ces vecteurs d'état appartiennent à un espace de Hilbert, soit dit en passant ....
En particulier, cette équation nous dit que p1 et p2 ont désormais la même fonction d'onde Ψ. Cela signifie, pour simplifier, que, quelque soit la distance les séparant, une perturbation sur l'une sera transmise INSTANTENEMENT à l'autre. (On démontre que cela ne viole pas la théorie de la Relativité).
On comprend cette équation mais on ne sait pas vraiment l'interpréter. (Peut-être la théorie de Maldacena et Susskind, la théorie « ER = EPR » apportera-t-elle une explication).
Vous dîtes que les équations ne décrivent pas ce qui arrive à un système physique. Je suppose que vous voulez dire qu'elles ne décrivent pas l'évolution d'un système quantique.
Eh bien si ! L'équation de Schrödinger dépendante du temps fournit une description déterministe de cette évolution ! C'est au moment de la mesure que surgit l'indéterminisme !
Voici cette équation de Schrödinger dépendante du temps : iℏ∂|Ψ>/∂t = H|Ψ> où ℏ est la constante de Planck réduite et i l'unité imaginaire. On remarquera en passant la présence de l'opérateur hamiltonien H dont les valeurs propres sont les observables du système quantique étudié.
Enfin, il y aurait encore beaucoup de choses à corriger dans votre texte, par exemple ce que vous dîtes à propos des réactions de nucléosynthèses dans le Soleil De plus, l'effet tunnel, pour être compris, requiert un bon bagage en physique, par exemple comprendre ce que l'on entend par "barrière coulombienne" entre autres.
Mais ça suffit pour aujourd'hui.
Cordialement.

P.S. A propos de votre dernière et péremptoire déclaration : "Pour conclure, à l’état actuel de nos connaissances, oserais-je affirmer que celui qui vous dit qu’il comprend intelligiblement la mécanique quantique vous ment ? "
Tout d'abord, pourquoi "intelligemment" . Peut-on vraiment comprendre autrement ?
Vous ne trouverez pas un seul physicien pour prétendre comprendre la mécanique quantique. Seuls les non scientifiques lecteurs d'ouvrages de plus ou moins bonne vulgarisation peuvent avoir l'impression d'y avoir compris quelque chose sans aller jusqu'à prétende avoir compris la mécanique quantique.
La mécanique quantique, en sa presque totalité, ne peut se vulgariser étant entièrement mathématisée et la mathématique n'est pas vulgarisable. De plus, un fait parmi tant d'autres, comment un lecteur non averti pourrait-il comprendre que la logique de la mécanique quantique n'est pas notre logique élémentaire, celle par exemple du calcul propositionnel alors qu'en mécanique quantique le connecteur OU inclusif n'est pas commutatif et que le connecteur ET n' y a plus de sens ? C'est à tous ces petits détails que l'on reconnaît immédiatement si un interlocuteur a puisé dans la vulgarisation ses maigres "connaissances".
D'ailleurs, comment vulgariser une discipline que l'on ne sait pas encore interpreter ? Or, c'est une éventuelle interprétation qui pourrait permettre une tentative de vulgarisation.