Un groupe international de scientifiques, dont un chercheur de Skoltech, a terminé une étude expérimentale et théorique des propriétés des supraconducteurs fortement désordonnés à très basse température. Suite à une série d'expériences, les scientifiques ont développé une théorie qui décrit efficacement les anomalies auparavant inexplicables rencontrées dans les supraconducteurs. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Physique de la nature .

Le phénomène de la supraconductivité a été découvert en 1911 par un groupe de scientifiques dirigé par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes. La supraconductivité signifie la disparition complète de la résistance électrique dans un matériau lorsqu'il est refroidi à une température spécifique, entraînant l'expulsion du champ magnétique du matériau. Les supraconducteurs fortement désordonnés dont les atomes ne forment pas de réseaux cristallins présentent un intérêt particulier pour les scientifiques. D'un point de vue pratique, les supraconducteurs fortement désordonnés ont un grand potentiel pour le développement de l'informatique quantique.

A des températures très basses, les supraconducteurs présentent une anomalie qui ne peut être expliquée par la théorie classique de la supraconductivité. Cette anomalie concerne la dépendance en température du champ magnétique maximal qui est encore cohérente avec le comportement supraconducteur du matériau. Ce champ maximal, également appelé champ « critique supérieur », augmente toujours à mesure que la température de l'échantillon diminue, alors que dans les supraconducteurs ordinaires, il cesse presque de croître à des températures plusieurs fois inférieures à la température de transition supraconductrice. Par exemple, dans le cas des films d'oxyde d'indium amorphe utilisés dans cette étude qui deviennent supraconducteurs à 3 K (-270 ^o C), on s'attendrait à ce que le champ magnétique critique cesse de croître à des températures inférieures à 0,5 K. Cependant, l'expérience indique que le champ critique continue de croître même lorsque la température chute aux valeurs les plus basses possibles (environ 0,05 K dans cette expérience), et sa croissance ne montre aucun signe de saturation.

Les scientifiques de Skoltech, Institut Landau de physique théorique, Institut Néel (France), Le Weizmann Institute of Science (Israël) et l'Université de l'Utah (États-Unis) ont démontré que l'anomalie est causée par les fluctuations thermiques des vortex quantiques d'Abrikosov. Le champ magnétique qui pénètre dans le supraconducteur désordonné a la forme de tourbillons, c'est-à-dire des tubes, portant chacun un flux magnétique égal à la valeur fondamentale hc/2e, où h est la constante de Plank, c est la vitesse de la lumière, et e est la charge électronique.

Au zéro absolu, ces tourbillons sont immobiles et rigidement attachés à la structure de l'atome, tandis que toute température non nulle entraîne des fluctuations des tubes vortex autour des bases d'attache. La force de ces fluctuations augmente avec la température, et cela se traduit par une diminution du champ magnétique qui peut être appliqué à un matériau sans affecter ses propriétés supraconductrices.

"Nous avons développé une théorie de l'effet des fluctuations thermiques des tourbillons d'Abrikosov sur la valeur du champ critique supérieur, qui nous a aidé à établir une relation entre deux types de mesures différents, " dit Mikhaïl Feigelman, chercheur principal à Skoltech et directeur adjoint à l'institut Landau de physique théorique.

Il est essentiel de mieux comprendre le comportement des supraconducteurs fortement désordonnés pour leur utilisation dans les bits quantiques supraconducteurs, éléments clés des ordinateurs quantiques. Il est devenu évident il y a quelques années que de multiples applications dans ce domaine nécessitent de très petits éléments à forte inductance (inertie électrique), et les supraconducteurs fortement désordonnés conviennent le mieux à de tels éléments de "super-inductance". « La compréhension du comportement de ces matériaux aidera à créer des bits quantiques supraconducteurs hautement isolés du bruit externe, " dit Feigelman.