Des scientifiques de l’Université de Groningue et leurs partenaires internationaux ont confirmé l’existence d’un état supraconducteur, le FFLO, qui avait été prédit théoriquement en 2017. Leur dispositif, qui utilise une double couche de disulfure de molybdène pour contrôler cet état, pourrait faire progresser de manière significative le domaine de l’électronique supraconductrice.
Lors d’une expérience inédite, des chercheurs de l’université de Groningue ont collaboré avec leurs pairs des universités de Nimègue et de Twente aux Pays-Bas, ainsi qu’avec 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 conclusions, qui démontrent l’existence d’une forme unique de l’état supraconducteur FFLO, ont été récemment publiées dans la revue Nature. Cette avancée pourrait avoir un impact considérable, en particulier dans le domaine de l’électronique supraconductrice.
Justin Ye, chef du groupe Device Physics of Complex Materials à l’université de Groningue, aux Pays-Bas, et auteur principal de l’article de Nature sur l’état supraconducteur FFLO. Crédit : Sylvia Germes
L’auteur principal de l’article est le professeur Justin Ye, qui dirige le groupe Device Physics of Complex Materials à l’université de Groningue. Ye et son équipe ont travaillé sur l’état supraconducteur d’Ising. Il s’agit d’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 molybdène capable de 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 permet d’obtenir un transistor supraconducteur.
Sommaire
Insaisissable
Le dispositif supraconducteur d’Ising couplé 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 se déplacent dans des directions opposées sous forme de paires de Cooper. Comme ils se déplacent à la même vitesse, ces électrons ont un moment cinétique total de zéro. Cependant, dans l’état FFLO, il y a une petite différence de vitesse entre les électrons des paires de Cooper, ce qui signifie qu’il y a un moment cinétique net.
« Cet état est très insaisissable et il n’existe qu’une poignée d’articles affirmant son existence dans les supraconducteurs normaux », explique Ye. « Cependant, aucun de ces articles n’est concluant.
Ce diagramme de phase illustre la présence d’un état FFLO orbital six fois anisotrope, qui occupe une partie substantielle du diagramme de phase. Dans le coin supérieur droit, des illustrations schématiques montrent la modulation spatiale du paramètre d’ordre supraconducteur. Crédit : P. Wan / Université de Groningue
Pour créer l’état FFLO dans un supraconducteur classique, un champ magnétique puissant est nécessaire. Mais le rôle joué par le champ magnétique doit être soigneusement ajusté. En termes simples, pour que le champ magnétique joue deux rôles, nous devons utiliser l’effet Zeeman. Celui-ci sépare les électrons des paires de Cooper en fonction de la direction de leurs spins (un moment magnétique), mais pas en fonction de l’effet orbital, l’autre rôle qui détruit normalement la supraconductivité.
« Il s’agit d’une négociation délicate entre la supraconductivité et le champ magnétique externe », explique Ye.
Empreinte digitale
Puhua Wan, premier auteur, a produit les échantillons qui remplissaient toutes les conditions requises pour montrer qu’il existe effectivement une quantité de mouvement finie dans les paires de Cooper. Crédit : P. Wan / Université de Groningue
La supraconductivité d’Ising, que Ye et ses collaborateurs ont introduite et publiée dans la revue Science en 2015, supprime l’effet Zeeman. « En filtrant l’ingrédient clé qui rend possible l’OLF conventionnelle, nous avons laissé suffisamment d’espace au champ magnétique pour qu’il 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 induit 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 fort, ce qui le rend difficile à créer. Cependant, dans le supraconducteur Ising de Ye, 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 en disulfure de molybdène en 2019. « À l’époque, nous ne pouvions pas le prouver, car les échantillons n’étaient pas assez bons », explique Ye. Cependant, son doctorant Puhua Wan a depuis réussi à produire des échantillons du matériau qui remplissent toutes les conditions requises pour démontrer qu’il existe effectivement une quantité de mouvement finie dans les paires de Cooper. « Les expériences proprement dites ont pris une demi-année, mais l’analyse des résultats a pris une année supplémentaire », explique Ye. Wan est le premier auteur de l’article de Nature.
Ce nouvel état supraconducteur doit faire l’objet d’études plus approfondies. 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 permettra de mieux comprendre la supraconductivité. Et cela pourrait nous permettre de contrôler cet état dans des dispositifs tels que les transistors. C’est notre prochain défi.
Référence : « Orbital Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in an Ising superconductor » par Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah F. Q. Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. Hussey, Thomas T. M. Palstra, et Jianting Ye, 24 mai 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05967-z