L'application de champs magnétiques suffisamment importants entraîne la perturbation des états supraconducteurs dans les matériaux, même à très basse température, les transformant ainsi directement en isolants - ou c'est du moins ce que l'on pensait traditionnellement. Maintenant, scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), l'Université de Tokyo et l'Université du Tohoku rapportent de curieuses transitions multi-états de ces supraconducteurs dans lesquelles ils passent du supraconducteur au métal spécial, puis à l'isolant.

Caractérisés par leur résistance électrique nulle, Ou bien, leur capacité à expulser complètement les champs magnétiques externes, les supraconducteurs ont des perspectives fascinantes à la fois pour la physique fondamentale et les applications pour, par exemple, bobines supraconductrices pour aimants. Ce phénomène est compris en considérant une relation très ordonnée entre les électrons du système. En raison d'une cohérence sur l'ensemble du système, les électrons forment des paires bornées et circulent sans collisions en tant que collectif, résultant en un état de conduction parfait sans dissipation d'énergie. Cependant, lors de l'introduction d'un champ magnétique, les électrons ne sont plus capables de maintenir leur relation cohérente, et la supraconductivité est perdue. Pour une température donnée, le champ magnétique le plus élevé sous lequel un matériau reste supraconducteur est appelé champ critique.

Souvent, ces points critiques sont marqués par des transitions de phase. Si le changement est brusque comme dans le cas de la fonte des glaces, c'est une transition de premier ordre. Si la transition s'opère de manière graduelle et continue par la croissance de fluctuations motrices du changement s'étendant sur l'ensemble du système, c'est ce qu'on appelle une transition du second ordre. L'étude du chemin de transition des supraconducteurs lorsqu'ils sont soumis au champ critique peut donner un aperçu des processus quantiques impliqués et nous permet de concevoir des supraconducteurs (SC) plus intelligents pour une application aux technologies avancées.

De façon intéressante, les supraconducteurs bidimensionnels (SC 2-D) sont les candidats parfaits pour étudier ce type de transitions de phase et l'un de ces nouveaux candidats est une couche mono-unitaire de NbSe 2 . Parce que la plus petite dimension (épaisseur) du supraconducteur implique un plus petit nombre de partenaires possibles pour que les électrons forment des paires supraconductrices, la plus petite perturbation peut définir une transition de phase. Par ailleurs, Le 2-D SC est pertinent du point de vue des applications en électronique à petite échelle.

Dans de tels matériaux, l'augmentation du champ magnétique appliqué au-delà d'une valeur critique conduit à un état flou dans lequel le champ magnétique pénètre le matériau, mais la résistance est encore minime. Ce n'est qu'en augmentant encore le champ magnétique que la supraconductivité est détruite et que le matériau devient un isolant ordinaire. C'est ce qu'on appelle la transition de phase supraconducteur-isolant. Ce phénomène s'observant à très basse température, les fluctuations quantiques dans le système deviennent comparables à, ou même plus grand que, les fluctuations thermiques classiques. Par conséquent, c'est ce qu'on appelle une transition de phase quantique.

Comprendre le chemin de transition de phase ainsi que l'état flou ou mixte qui existe entre les intensités de champ critique dans le NbSe 2 supraconducteur ultrafin, un groupe de chercheurs a mesuré la magnétorésistance du matériau (voir Fig. 1), ou la réponse de la résistivité d'un SC lorsqu'il est soumis à un champ magnétique externe. Le professeur Ichinokura a déclaré :"À l'aide d'une sonde à quatre points, nous avons estimé le champ magnétique critique aux limites de phases quantiques respectives dans le NbSe monocouche 2 ." (voir fig. 2)

Ils ont découvert que lorsqu'un petit champ magnétique est appliqué au SC, le flux cohérent d'électrons est rompu, mais les paires d'électrons restent toujours. Ceci est dû au mouvement des tourbillons; les tourbillons en mouvement créent une résistance finie. L'origine de cette résistance minimale a été interprétée comme le matériau entrant dans un état spécial de métal Bose (BM), qui a changé en un état isolant lors de l'augmentation supplémentaire du champ magnétique. L'équipe a également découvert que la transition entre les états normal et SC autour de la température critique était due aux fluctuations quantiques, reflétant également une voie multi-transition similaire. Le professeur Ichinokura dit, "L'analyse de mise à l'échelle basée sur le modèle du métal Bose a expliqué la transition en deux étapes, suggérant l'existence d'un état fondamental bosonique."

Cette étude renforce les affirmations théoriques des transitions multiphases dans les supraconducteurs grâce à l'échantillon le plus mince d'épaisseur à l'échelle atomique, et repousse plus loin les limites de la recherche.