Les scientifiques découvrent un état supraconducteur insaisissable prédit pour la première fois en 2017

Des scientifiques de l’Université de Groningue et leurs partenaires internationaux ont confirmé l’existence d’un état supraconducteur, FFLO, qui était théoriquement prédit en 2017. Leur dispositif, qui utilise une double couche de bisulfure de molybdène pour contrôler cet état, pourrait faire grandement progresser le domaine de l’électronique supraconductrice.

Dans une expérience révolutionnaire, des chercheurs de l’Université de Groningue ont collaboré avec des 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 établissent la preuve d’une forme unique de l’état FFLO supraconducteur, ont été récemment publiées dans la revue nature. Cette percée a le potentiel d’être influente, en particulier dans le domaine de l’électronique supraconductrice.

Il s’agit du professeur Justin Yee, président du groupe de physique des dispositifs pour les matériaux complexes à l’Université de Groningue aux Pays-Bas, et auteur principal de l’article de Nature sur l’état supraconducteur de FFLO. Crédit : Sylvia Germes

L’auteur principal de l’article est le professeur Justin Yee, qui dirige le groupe de physique des dispositifs pour les matériaux complexes à l’Université de Groningue. Ye et son équipe ont travaillé sur le cas supraconducteur d’Ising. C’est un cas particulier qui peut résister aux champs magnétiques qui détruisent la supraconductivité en général, et c’était tout L’équipe l’a décrit en 2015.

En 2019, ils ont créé Dispositif comprenant une double couche de bisulfure de molybdènee peut être associé aux états supraconducteurs d’Ising présents 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.

Difficile à avoir

Le double dispositif supraconducteur 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 peut 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. Puisqu’ils se déplacent à la même vitesse, la quantité de mouvement totale de ces électrons est nulle. Cependant, dans le cas de FFLO, il y a peu de différence de vitesse entre les électrons des paires de Cooper, ce qui implique un moment cinétique net.

« Ce cas est très insaisissable et seuls quelques matériaux prétendent être des supraconducteurs ordinaires », déclare Ye. Cependant, rien de tout cela n’est concluant.

Ce diagramme de phase montre l’existence d’un état orbital sextuple anisotrope, qui occupe une grande partie du diagramme de phase. Dans le coin supérieur droit, les 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 conventionnel, un champ magnétique puissant est nécessaire. Mais le rôle joué par le champ magnétique doit être finement réglé. En termes simples, pour que le champ magnétique joue deux rôles, nous devons utiliser l’effet Zeeman. Cela sépare les électrons en paires de Cooper en fonction de leur direction de spin (moment magnétique), mais pas de l’effet orbital – l’autre rôle qui détruit généralement la supraconductivité.

« C’est une négociation délicate entre la supraconductivité et le champ magnétique externe », explique Yi.

empreinte digitale

Le premier auteur, Buhua Wan, a produit des échantillons qui remplissaient toutes les conditions pour démontrer qu’il existe effectivement une quantité de mouvement finie dans les paires de Cooper. Crédit : P. Wan/Université de Groningue

est la supraconductivité, qui ont été présentés par Ye et ses collaborateurs et publiés dans la revue les sciences En 2015, il a supprimé l’effet Zeeman. « En filtrant le composant clé qui rend possible le FFLO conventionnel, nous avons libéré suffisamment d’espace pour que le champ magnétique puisse jouer son autre rôle, à savoir l’effet orbital », déclare Ye.

« Ce que nous avons montré dans notre article est une empreinte claire de l’état FFLO piloté par l’effet orbital dans le supraconducteur d’Ising », explique Yi. « Il s’agit d’un cas FFLO atypique, décrit pour la première fois théoriquement en 2017. » L’état FFLO dans les supraconducteurs conventionnels nécessite des températures très basses et des champs magnétiques très puissants, ce qui rend sa formation difficile. 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, Yi a remarqué pour la première fois des signes de l’état FFLO dans son dispositif supraconducteur pour le bisulfure de molybdène en 2019. « À cette époque, nous ne pouvions pas le prouver, car les échantillons n’étaient pas assez bons », explique Yi. Cependant, il a obtenu son doctorat. L’étudiant Puhua Wan a depuis réussi à produire des échantillons de matériau qui remplissaient toutes les conditions pour montrer qu’il existe effectivement une quantité de mouvement finie dans les paires de Cooper. « Les essais réels 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. Vous : « Il y a beaucoup à apprendre à ce sujet. Par exemple, comment le moment cinétique affecte-t-il les paramètres physiques ? L’étude de cet état fournira de nouvelles informations sur la supraconductivité. 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 Ising supraconductor » par Puhua Wan, Oleksandr Zheliuk, Noah FQ Yuan, Xiaoli Peng, Le Zhang, Minpeng Liang, Uli Zeitler, Steffen Wiedmann, Nigel E. nature.
DOI : 10.1038/s41586-023-05967-z