Des scientifiques du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie ont mis au point une méthode pour mesurer avec précision le "bord exact" ou le début auquel un champ magnétique pénètre dans un matériau supraconducteur. La connaissance de ce seuil, appelé champ critique inférieur, joue un rôle crucial pour démêler les difficultés qui ont empêché une utilisation plus large de la supraconductivité dans les nouvelles technologies.

En physique de la matière condensée, les scientifiques font la distinction entre divers états supraconducteurs. Lorsqu'il est placé dans un champ magnétique, le champ critique supérieur est la force à laquelle il détruit complètement le comportement supraconducteur dans un matériau. L'effet Meissner peut être considéré comme son contraire, qui se produit lorsqu'un matériau passe à l'état supraconducteur, expulsant complètement un champ magnétique de son intérieur, de sorte qu'elle est réduite à zéro à une petite longueur caractéristique (généralement inférieure à un micromètre) appelée profondeur de pénétration de London.

Mais que se passe-t-il dans la zone grise entre les deux ? Pratiquement tous les supraconducteurs sont classés de type II, ce qui signifie qu'à des champs magnétiques plus grands, ils ne montrent pas un effet Meissner complet. Au lieu, ils développent un état mixte, avec des tourbillons magnétiques quantifiés - appelés tourbillons d'Abrikosov - enfilant le matériau, former un réseau vortex bidimensionnel, et affectant de manière significative le comportement des supraconducteurs. Plus important encore, ces tourbillons peuvent être poussés par le courant électrique circulant, provoquant la dissipation de la supraconductivité.

Le point où ces tourbillons commencent à pénétrer dans un supraconducteur est appelé le champ critique inférieur, celui qui a été notoirement difficile à mesurer en raison d'une distorsion du champ magnétique près des bords de l'échantillon. Cependant, la connaissance de ce domaine est nécessaire pour mieux comprendre et maîtriser les supraconducteurs utilisés dans les applications.

"La ligne frontière, la valeur dépendant de la température du champ magnétique auquel cela se produit, c'est tres important; la présence de tourbillons d'Abrikosov modifie beaucoup le comportement du supraconducteur, " a déclaré Rouslan Prozorov, un physicien du laboratoire Ames qui est un expert en supraconductivité et en magnétisme. "Beaucoup d'applications pour lesquelles nous aimerions utiliser la supraconductivité, comme le transport d'électricité, sont entravés par l'existence de cette phase de vortex."

Pour valider la nouvelle technique développée pour mesurer cette ligne frontière, Prozorov et son équipe ont sondé trois matériaux supraconducteurs déjà bien étudiés. Ils ont utilisé un magnétomètre optique récemment développé qui tire parti de l'état quantique d'un type particulier de défaut atomique, appelés centres de vacance d'azote (NV), en diamant. L'instrument très sensible a permis aux scientifiques de mesurer de très petites déviations du signal magnétique très près du bord de l'échantillon en détectant le début de la pénétration des tourbillons.

"Notre méthode est non invasive, très précis et a une meilleure résolution spatiale que les méthodes précédemment utilisées, " a déclaré Prozorov.

En outre, calculs théoriques menés avec un autre scientifique du Laboratoire Ames, Vladimir Kogan, a permis l'extraction des valeurs de champ critique inférieures à partir du début mesuré de la pénétration du vortex.