Pour la première fois, Les physiciens ont validé expérimentalement une conjecture de 1959 qui limite la taille des supraconducteurs. Comprendre la supraconductivité (ou son absence) à l'échelle nanométrique devrait être important pour la conception des futurs ordinateurs quantiques, entre autres applications.

En 1959, le physicien P.W. Anderson a conjecturé que la supraconductivité ne peut exister que dans des objets suffisamment grands pour répondre à certains critères. À savoir, l'énergie de l'espace supraconducteur de l'objet doit être supérieure à l'espacement de son niveau d'énergie électronique - et cet espacement augmente à mesure que la taille diminue. Le point de coupure (où les deux valeurs sont égales) correspond à un volume d'environ 100 nm ³ . Jusqu'à présent, il n'a pas été possible de tester expérimentalement la limite d'Anderson en raison des défis liés à l'observation des effets supraconducteurs à cette échelle.

Dans la nouvelle étude publiée dans Communication Nature , Sergio Vlaic et ses coauteurs de l'Université Paris Sciences et Lettres et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) ont conçu un nanosystème qui leur a permis d'étudier expérimentalement la limite d'Anderson pour la première fois.

La limite d'Anderson survient parce que, à très petite échelle, les mécanismes sous-jacents à la supraconductivité cessent essentiellement de fonctionner. En général, la supraconductivité se produit lorsque les électrons se lient pour former des paires de Cooper. Les paires de cuivre ont une énergie légèrement inférieure à celle des électrons individuels, et cette différence d'énergie est l'énergie du gap supraconducteur. L'énergie plus faible des paires de Cooper inhibe les collisions d'électrons qui créent normalement une résistance. Si l'énergie de l'espace supraconducteur devient trop faible et disparaît, ce qui peut se produire, par exemple, lorsque la température augmente, alors les collisions d'électrons reprennent et l'objet cesse d'être un supraconducteur.

La limite d'Anderson montre que la petite taille est une autre façon pour un objet de cesser d'être un supraconducteur. Cependant, contrairement aux effets de l'augmentation de la température, ce n'est pas parce que les objets plus petits ont une énergie de gap supraconducteur plus petite. Au lieu, il survient parce que les cristaux plus petits ont moins d'électrons, et donc moins de niveaux d'énergie des électrons, que les cristaux plus gros. Puisque l'énergie électronique totale possible d'un élément reste la même, quelle que soit la taille, les cristaux plus petits ont des espacements plus grands entre leurs niveaux d'énergie électronique que les cristaux plus gros.

Selon Anderson, ce grand espacement des niveaux d'énergie électronique devrait poser problème, et il s'attendait à ce que la supraconductivité disparaisse lorsque l'espacement devient plus grand que l'énergie de l'espace supraconducteur. La raison de cela, en général, est qu'une conséquence de l'espacement accru est une diminution de l'énergie potentielle, qui interfère avec la compétition entre l'énergie cinétique et potentielle qui est nécessaire pour que la supraconductivité se produise.

Pour étudier ce qui arrive à la supraconductivité des objets autour de la limite d'Anderson, les scientifiques de la nouvelle étude ont préparé de grandes quantités de nanocristaux de plomb isolés dont le volume varie de 20 à 800 nm ³ .

Bien qu'ils ne puissent pas mesurer directement la supraconductivité d'objets aussi minuscules, les chercheurs ont pu mesurer ce qu'on appelle l'effet de parité, qui résulte de la supraconductivité. Lorsqu'un électron est ajouté à un supraconducteur, l'énergie supplémentaire est en partie affectée par le fait qu'il y ait un nombre pair ou impair d'électrons (la parité), ce qui est dû aux électrons formant des paires de Cooper. Si les électrons ne forment pas de paires de Cooper, il n'y a pas d'effet de parité, indiquant aucune supraconductivité.

Bien que l'effet de parité ait déjà été observé dans les grands supraconducteurs, cette étude est la première fois qu'elle est observée dans de petits nanocristaux approchant la limite d'Anderson. Conformément aux prédictions d'Anderson d'il y a plus de 50 ans, les chercheurs ont observé l'effet de parité pour les plus gros nanocristaux, mais pas pour les plus petits nanocristaux en dessous d'environ 100 nm ³ .

Les résultats valident non seulement la conjecture d'Anderson, mais aussi s'étendre à un domaine plus général, les modèles Richardson-Gaudin. Ces modèles sont équivalents à la théorie conventionnelle de la supraconductivité, la théorie de Bardeen Cooper Schrieffer, pour les très petits objets.

"Notre démonstration expérimentale de la conjecture d'Anderson est aussi une démonstration de la validité des modèles de Richardson-Gaudin, » a déclaré le coauteur Hervé Aubin à l'Université Paris Sciences et Lettres et au CNRS Phys.org . « Les modèles Richardson-Gaudin sont une pièce importante des travaux théoriques car ils peuvent être résolus avec précision et s'appliquent à un large éventail de systèmes ; non seulement aux nanocristaux supraconducteurs mais aussi aux noyaux atomiques et au gaz atomique fermionique froid, où protons et neutrons, qui sont des fermions comme des électrons, peuvent également former des paires de Cooper."

Côté plus pratique, les chercheurs s'attendent à ce que les résultats aient des applications dans les futurs ordinateurs quantiques.

"L'une des applications les plus intéressantes des îlots supraconducteurs est leur utilisation comme boîtes à paires de Cooper employées dans les bits quantiques, l'unité élémentaire d'un hypothétique ordinateur quantique, " dit Aubin. " Jusqu'ici, Les boîtes de paires de Cooper utilisées dans les qubits sont beaucoup plus grandes que la limite d'Anderson. En réduisant la taille de la boîte de paire Cooper, les ingénieurs en informatique quantique devront éventuellement faire face à la supraconductivité à la limite d'Anderson."

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