Des chercheurs de l'Université Brown ont démontré une méthode inhabituelle pour freiner la supraconductivité, la capacité d'un matériau à conduire un courant électrique avec une résistance nulle.

La recherche montre que les champs magnétiques faibles - bien plus faibles que ceux qui interrompent normalement la supraconductivité - peuvent interagir avec les défauts d'un matériau pour créer un "champ de jauge aléatoire, " une sorte de parcours du combattant quantique qui génère une résistance pour les électrons supraconducteurs.

"Nous perturbons la supraconductivité d'une manière que les gens n'ont jamais fait auparavant, " a déclaré Jim Valles, un professeur de physique à Brown qui a dirigé les travaux. "Ce genre de transition de phase impliquant un champ de jauge aléatoire avait été prédit théoriquement, mais c'est la première fois que cela est démontré dans une expérience."

La recherche est publiée dans la revue Rapports scientifiques .

L'état supraconducteur dépend de la formation et de la propagation de "paires de Cooper, " électrons couplés qui, à très basse température, se comportent plus comme des ondes que comme des particules. Leur propriété ondulatoire leur permet de traverser la structure d'un matériau sans heurter les noyaux atomiques en cours de route, réduire à zéro la résistance qu'ils rencontrent. Les paires de Cooper portent le nom de Leon Cooper, un physicien de l'Université Brown qui a partagé le prix Nobel de physique 1972 pour avoir expliqué leur comportement.

Les liaisons entre les électrons appariés ne sont pas particulièrement fortes. Une petite augmentation de la température ou la présence d'un champ magnétique d'une intensité supérieure à une valeur critique (la valeur varie un peu selon les matériaux) peut séparer les paires, qui à son tour brise l'état supraconducteur.

Mais Valles et ses collègues étudiaient une méthode différente pour détruire la supraconductivité. Au lieu de séparer les paires Cooper, L'équipe de Valles voulait voir s'ils pouvaient perturber la façon dont les paires se propagent.

Lorsqu'un matériau est supraconducteur, Les paires de Cooper se propagent "en phase, " ce qui signifie que les pics et les creux de leurs ondes quantiques sont corrélés. Déphasage des ondes les rendrait incapables de se propager d'une manière qui maintiendrait l'état supraconducteur, convertissant ainsi le matériau en un isolant.

Pour démontrer le phénomène, Valles et ses collègues ont créé de petites puces supraconductrices en bismuth amorphe. Les puces ont été faites avec des trous à l'échelle nanométrique, disposés selon un motif en nid d'abeille se répétant au hasard. L'équipe a ensuite appliqué un champ magnétique faible aux puces. Dans des circonstances normales, un supraconducteur repoussera tout champ magnétique inférieur à une valeur critique et passera directement au supraconducteur. Mais les défauts du bismuth ont amené le matériau à repousser le champ magnétique d'une manière particulière, formant de minuscules tourbillons de courant électrique entourant chaque trou.

Aux paires supraconductrices de Cooper, ces tourbillons forment un parcours d'obstacles quantique trop difficile à franchir. Les tourbillons actuels poussent et tirent sur les fronts d'onde des paires de Cooper qui passent dans des motifs aléatoires, déphasant les ondes les unes avec les autres.

"Nous perturbons le mouvement cohérent des fronts d'onde, ", a déclaré Valles. "En conséquence, les paires de Cooper deviennent localisées - incapables de se propager - et le système passe de supraconducteur à isolant."

La recherche peut aider les scientifiques à comprendre les propriétés fondamentales des matériaux supraconducteurs, en particulier, comment les défauts de ces matériaux pourraient interrompre la supraconductivité dans certaines situations. Il sera important de comprendre comment ces matériaux se comportent à mesure que leur utilisation augmente dans des applications telles que les ordinateurs quantiques, qui reposera sur des états supraconducteurs cohérents.

« En technologie, nous essayons de tirer de plus en plus parti des propriétés quantiques des matériaux, mais ces matériaux ont tous ces impuretés en eux, " a déclaré Valles. "Nous avons montré les effets d'un certain type d'aléatoire quantique dans un supraconducteur qui est entraîné par un champ magnétique et des défauts aléatoires. Ce travail peut donc être intéressant pour comprendre quelles sont les limites à l'exploitation des propriétés quantiques des matériaux."

Valles espère que les découvertes et la technique décrites dans l'article conduiront à d'autres avancées fondamentales.

"Nous pouvons régler ce déphaseur d'une manière bien définie qui est simple à modéliser, ce qui peut nous permettre de comprendre un peu mieux les transitions de phase quantiques, " dit Valles. " Donc, dans un sens, nous avons créé un nouveau bouton que nous pouvons tourner pour affecter les propriétés de ces matériaux et voir comment ils réagissent. »