Des scientifiques découvrent l’existence d’un état supraconducteur insaisissable prédit pour la première fois en 2017

Dans une expérience révolutionnaire, des chercheurs de l’Université de Groningue ont collaboré avec leurs pairs des universités de Nimègue et de Twente aux Pays-Bas, et de l’Institut de technologie de Harbin en Chine. Ensemble, ils ont confirmé l’existence d’un état supraconducteur prédit pour la première fois en 2017.

Leurs découvertes, qui démontrent la preuve d’une forme unique de l’état supraconducteur FFLO, ont été récemment publiées dans la revue Nature. Cette percée a le potentiel d’avoir un impact, en particulier dans le domaine de l’électronique supraconductrice.

Il s’agit du professeur Dr Justin Ye, chef du groupe Device Physics of Complex Materials à l’Université de Groningen, aux Pays-Bas, et auteur principal de l’article Nature sur l’état supraconducteur FFLO. Crédit : Sylvia Germes

L’auteur principal de l’article est le professeur Justin Ye, qui dirige le groupe de physique des dispositifs des matériaux complexes à l’Université de Groningue. Ye et son équipe ont travaillé sur l’état supraconducteur d’Ising. C’est un état spécial qui peut résister aux champs magnétiques qui détruisent généralement la supraconductivité, et qui a été décrit par l’équipe en 2015.

En 2019, ils ont créé un dispositif comprenant une double couche de disulfure de molybdènee qui pourrait coupler les états de supraconductivité d’Ising résidant dans les deux couches. Fait intéressant, le dispositif créé par Ye et son équipe permet d’activer ou de désactiver cette protection à l’aide d’un champ électrique, ce qui donne un transistor supraconducteur.

Insaisissable

Le dispositif supraconducteur couplé d’Ising met en lumière un défi de longue date dans le domaine de la supraconductivité. En 1964, quatre scientifiques (Fulde, Ferrell, Larkin et Ovchinnikov) ont prédit un état supraconducteur spécial qui pourrait exister dans des conditions de basse température et de fort champ magnétique, appelé état FFLO.

Dans la supraconductivité standard, les électrons voyagent dans des directions opposées en tant que paires de Cooper. Comme ils se déplacent à la même vitesse, ces électrons ont un moment cinétique total nul. Cependant, dans l’état FFLO, il existe une petite différence de vitesse entre les électrons des paires de Cooper, ce qui signifie qu’il existe un moment cinétique net.

“Cet état est très insaisissable et il n’y a qu’une poignée d’articles revendiquant son existence dans les supraconducteurs normaux”, déclare Ye. “Cependant, aucun de ceux-ci n’est concluant.”

Ce diagramme de phase illustre la présence d’un état FFLO orbital anisotrope sextuple, qui occupe une partie substantielle du diagramme de phase. Dans le coin supérieur droit, des illustrations schématiques présentent la modulation spatiale du paramètre d’ordre supraconducteur. Crédit : P. Wan / Université de Groningue

Pour créer l’état FFLO dans un supraconducteur conventionnel, un champ magnétique puissant est nécessaire. Mais le rôle joué par le champ magnétique doit être soigneusement peaufiné. En termes simples, pour que les deux rôles soient joués par le champ magnétique, nous devons utiliser l’effet Zeeman. Cela sépare les électrons dans les paires de Cooper en fonction de la direction de leurs spins (un moment magnétique), mais pas de l’effet orbital – l’autre rôle qui détruit normalement la supraconductivité.

“C’est une négociation délicate entre la supraconductivité et le champ magnétique externe”, explique Ye.

Empreinte digitale

Le premier auteur Puhua Wan a produit les échantillons qui remplissaient toutes les conditions pour montrer qu’il existe en effet une quantité de mouvement finie dans les paires de Cooper. Crédit : P. Wan / Université de Groningue

Ising supraconductivity, que Ye et ses collaborateurs ont présenté et publié dans la revue Science en 2015, supprime l’effet Zeeman. “En filtrant l’ingrédient clé qui rend possible le FFLO conventionnel, nous avons fourni suffisamment d’espace pour que le champ magnétique joue son autre rôle, à savoir l’effet orbital”, explique Ye.

“Ce que nous avons démontré dans notre article est une empreinte claire de l’état FFLO piloté par l’effet orbital dans notre supraconducteur Ising”, explique Ye. “Il s’agit d’un état FFLO non conventionnel, décrit pour la première fois en théorie en 2017.” L’état FFLO dans les supraconducteurs conventionnels nécessite des températures extrêmement basses et un champ magnétique très puissant, ce qui le rend difficile à créer. Cependant, dans le supraconducteur Ye’s Ising, l’état est atteint avec un champ magnétique plus faible et à des températures plus élevées.

Transistors

En fait, Ye a observé pour la première fois des signes d’un état FFLO dans son dispositif supraconducteur au bisulfure de molybdène en 2019. « À cette époque, nous ne pouvions pas le prouver, car les échantillons n’étaient pas assez bons », explique Ye. Cependant, son doctorat. L’étudiant Puhua Wan a depuis réussi à produire des échantillons du matériau qui remplissaient toutes les conditions pour montrer qu’il existe en effet une quantité de mouvement finie dans les paires de Cooper. “Les expériences réelles ont duré six mois, mais l’analyse des résultats a ajouté une autre année”, explique Ye. Wan est le premier auteur du Nature papier.

Ce nouvel état supraconducteur nécessite une étude plus approfondie. Ye : « Il y a beaucoup à apprendre à ce sujet. Par exemple, comment le moment cinétique influence-t-il les paramètres physiques ? L’étude de cet état fournira de nouvelles connaissances sur la supraconductivité. Et cela peut nous permettre de contrôler cet état dans des dispositifs tels que des transistors. C’est notre prochain défi. »

Référence : « Orbital Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov state in an Ising supraconductor » par Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. Hussey, Thomas TM Palstra et Jianting Ye. Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z