Une illustration qui décrit la théorie critique de rupture de paire de Del Maestro dans les nanofils. Les électrons à l'intérieur d'un fil de MoGe ultra-mince d'un rayon de l'ordre de 10 nanomètres peuvent s'apparier à basse température (vert) et passer d'un contact à l'autre sans résistance dans la phase supraconductrice. En présence d'un champ magnétique pénétrant dans le fil, les membres des paires sont déviés dans des directions opposées (rose et bleu) et peuvent entrer en collision avec les bords du fil et se séparer. Au fur et à mesure que la force du champ augmente, toutes les paires se cassent, et le nanofil subit une transition de phase à température nulle d'un supraconducteur à un métal normal. A la transition, la conductivité du fil est un nombre universel qui ne dépend d'aucun détail spécifique de la composition du fil ou de la direction du champ. Crédit :Adrian Del Maestro
La lutte pour garder les boissons froides pendant l'été est une leçon de transition de phase classique. Pour étudier les transitions de phase, appliquer de la chaleur à une substance et observer comment ses propriétés changent. Ajouter de la chaleur à l'eau et au soi-disant "point critique, " regardez comme il se transforme en gaz (vapeur). Retirez la chaleur de l'eau et regardez-la se transformer en un solide (glace).
Maintenant, imaginez que vous avez tout refroidi à des températures très basses, si basses que tous les effets thermiques disparaissent. Bienvenue dans le royaume quantique, où la pression et les champs magnétiques font émerger de nouvelles phases dans un phénomène appelé transitions de phase quantiques (QPT). Plus qu'un simple passage d'une phase à une autre, QPT forme des propriétés complètement nouvelles, comme la supraconductivité, dans certains matériaux.
Appliquer une tension à un métal supraconducteur, et les électrons traversent le matériau sans résistance; le courant électrique circulera indéfiniment sans ralentir ni produire de chaleur. Certains métaux deviennent supraconducteurs à haute température, qui a des applications importantes dans la transmission d'énergie électrique et le traitement de données à base de supraconducteurs. Les scientifiques ont découvert le phénomène il y a 30 ans, mais le mécanisme de la supraconductivité reste une énigme car la majorité des matériaux sont trop complexes pour comprendre la physique QPT en détail. Une bonne stratégie serait d'abord d'examiner des systèmes modèles moins compliqués.
Maintenant, Des physiciens et des collaborateurs de l'Université de l'Utah ont découvert que les nanofils supraconducteurs en alliage MoGe subissent des transitions de phase quantiques d'un état supraconducteur à un état métallique normal lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique croissant à basse température. L'étude est la première à découvrir le processus microscopique par lequel le matériau perd sa supraconductivité; le champ magnétique brise des paires d'électrons, appelées paires de Cooper, qui interagissent avec d'autres paires de Cooper et subissent une force d'amortissement des électrons non appariés présents dans le système.
Les résultats sont pleinement expliqués par la théorie critique proposée par le coauteur Adrian Del Maestro, professeur agrégé à l'Université du Vermont. La théorie a correctement décrit comment l'évolution de la supraconductivité dépend de la température critique, amplitude et orientation du champ magnétique, section transversale de nanofil, et les caractéristiques microscopiques du matériau de nanofil. C'est la première fois dans le domaine de la supraconductivité que tous les détails du QPT prédit par une théorie sont confirmés sur des objets réels en laboratoire.
"Les transitions de phase quantiques peuvent sembler vraiment exotiques, mais ils sont observés dans de nombreux systèmes, du centre des étoiles au noyau des atomes, et des aimants aux isolants, " a déclaré Andrey Rogachev, professeur agrégé à l'U et auteur principal de l'étude. "En comprenant les fluctuations quantiques dans ce système plus simple, nous pouvons parler de chaque détail du processus microscopique et l'appliquer à des objets plus compliqués."
L'étude publiée en ligne le 9 juillet 2018 en Physique de la nature .
Ce diagramme schématique montre la transition de phase quantique d'un métal supraconducteur à un métal normal à température nulle. Lorsque le champ magnétique augmente en intensité, la supraconductivité s'effondre jusqu'au point critique auquel le matériau devient un métal normal. Crédit :Andrey Rogachev, adapté d'une figure de Physique de la nature 10.1038/s41567-018-0179-8
La théorie rencontre l'expérimental
Les physiciens de la matière condensée étudient ce qui arrive aux matériaux avec toute leur chaleur enlevée de deux manières :les physiciens expérimentaux développent des matériaux à tester en laboratoire, tandis que les physiciens théoriciens développent des équations mathématiques pour comprendre le comportement physique. Cette recherche raconte l'histoire de la façon dont la théorie et l'expérimentation se sont informées et motivées l'une l'autre.
En tant que stagiaire postdoctoral, Rogachev a montré que l'application de champs magnétiques aux nanofils à basse température déforme la supraconductivité. Il a compris les effets à des températures finies mais n'est parvenu à aucune conclusion quant à ce qui se passe au "point critique" où la supraconductivité faiblit. Son travail, cependant, inspiré le jeune physicien théoricien Adrian Del Maestro, un étudiant diplômé à Harvard à l'époque, développer une théorie critique complète de la transition de phase quantique.
Dans la théorie de la « rupture de paire » de Del Maestro, il est peu probable que des électrons isolés heurtent les bords du plus petit fil, car même un seul brin d'atomes est gros par rapport à la taille d'un électron. Mais, dit Del Maestro, « deux électrons qui forment les paires responsables de la supraconductivité peuvent être éloignés l'un de l'autre et maintenant, la taille nanométrique du fil rend plus difficile leur voyage ensemble. » Ajoutez ensuite un puissant champ magnétique, qui démêle les couples en courbant leurs chemins, et "les électrons sont incapables de conspirer pour former l'état supraconducteur, " a déclaré Del Maestro.
"Imaginez que les bords du fil et le champ magnétique agissent comme une force de friction qui fait que les électrons ne veulent pas autant s'apparier, " a déclaré Del Maestro. " Cette physique devrait être universelle. " C'est exactement ce que sa théorie et la nouvelle expérience montrent.
"Seuls quelques ingrédients clés - la dimension spatiale et l'existence de la supraconductivité - sont essentiels pour décrire les propriétés émergentes des électrons lors des transitions de phase quantiques, " a-t-il dit. L'accord étonnant entre les valeurs de conductivité que la théorie de Del Maestro a prédites il y a plus d'une décennie et les valeurs mesurées dans la nouvelle expérience établit une norme puissante pour " la confirmation expérimentale de l'universalité quantique, " Del Maestro a dit, "et souligne l'importance de la recherche en physique fondamentale."
Des nanofils à la pointe de la technologie
Pour tester la théorie de Del Maestro, Rogachev avait besoin de nanofils presque unidimensionnels, avec des diamètres inférieurs à 20-30 nanomètres.
Image en microscopie électronique à balayage d'un nanofil similaire à ceux utilisés dans l'étude. Crédit :Andrey Rogachev, Hyujung Kim
« En physique théorique, les systèmes unidimensionnels jouent un rôle très particulier, car pour eux une théorie exacte peut être développée », a déclaré Rogachev. « Pourtant, les systèmes unidimensionnels sont notoirement difficiles à traiter expérimentalement. »
Les nanofils de MoGe sont l'élément crucial de toute l'étude. Dans ses jours postdoctoraux, Rogachev ne pouvait fabriquer de tels fils que de 100 nanomètres de long, trop court pour tester le régime critique. Des années plus tard à l'U, lui et son élève de l'époque Hyunjeong Kim, auteur principal de l'étude, amélioré une méthode existante de lithographie par faisceau d'électrons pour développer une technique de pointe.
Quatre-vingt-dix-neuf pour cent des physiciens créent des nanostructures à l'aide d'une méthode appelée lithographie par faisceau d'électrons positifs (e-beam). Ils projettent un faisceau d'électrons sur un film sensible aux électrons, puis retirez la partie exposée du film pour créer les structures nécessaires. Beaucoup moins de physiciens utilisent la lithographie à faisceau électronique négatif, dans lequel ils dessinent leur structure avec le faisceau d'électrons mais enlèvent tout le film non exposé. C'est la méthode que Kim a achetée à la pointe de la technologie, fabriquer des nanofils fins avec des largeurs inférieures à 10 nm.
"Ce n'est pas seulement que nous les fabriquons, mais on peut les mesurer, " a déclaré Rogachev. " Beaucoup de gens fabriquent de très petites particules, mais pour vraiment pouvoir regarder le transport sur ces fils, c'était comme développer une nouvelle technique."
Pour tester les transitions de phase quantiques, Rogachev a apporté les fils à Benjamin Sacépé et Frédéric Gay à l'Institut Néel de Grenoble où leur installation est capable de refroidir le matériau à 50 milliKelvin, appliquer un champ magnétique de différentes forces et mesurer la résistance des fils pour décrire comment la supraconductivité se décompose. Les collaborateurs français ont ajouté au groupe des années d'expertise dans la mesure précise du transport, techniques de rejet du bruit et physique quantique des supraconducteurs bidimensionnels.
« Après des décennies de recherches intensives, nous sommes encore loin de comprendre pleinement la supraconductivité", déclare Tomasz Durakiewicz, directeur du programme de physique de la matière condensée à la National Science Foundation, qui cofinance ce travail. « Ces résultats font considérablement progresser le domaine en liant étroitement le tangible, l'univers physique des nanofils et les transitions de phase induites par le champ qui se produisent à l'échelle quantique. En fusionnant théorie et expérimentation, l'équipe a pu expliquer la relation complexe entre conductivité et géométrie, champs magnétiques et température critique, tout en proposant une théorie de la criticité quantique en excellent accord avec les observations expérimentales."
L'amener à des températures plus élevées
Rogachev s'apprête maintenant à tester des nanofils en cuprates. Les cuprates ont une transition de phase quantique entre un état magnétique et un état normal, Au point critique, il y a des fluctuations quantiques qui, selon plusieurs théories, favoriser l'émergence de la supraconductivité. Les cuprates sont souvent appelés supraconducteurs à haute température car ils passent à l'état supraconducteur à la température record de 90-155 K, un contraste avec la température critique plutôt faible des alliages MoGe à 3-7 K. Rogachev veut fabriquer des fils à partir de cuprates pour comprendre le mécanisme microscopique de la supraconductivité à haute température.
Une autre piste qu'il souhaite explorer avec ses collaborateurs grenoblois est la transition de phase quantique dans les films supraconducteurs.
« Maintenant, nous avons élaboré cette partie de la physique, nous pouvons passer à des objets plus compliqués où nous ne savons pas exactement ce qui se passe, " il a dit.
