Une équipe internationale de scientifiques autrichiens, Allemagne, et l'Ukraine a découvert un nouveau système supraconducteur dans lequel les quanta de flux magnétique peuvent se déplacer à des vitesses de 10 à 15 km/s. Cela ouvre l'accès à des recherches sur la riche physique des systèmes collectifs hors équilibre et fait d'un supraconducteur Nb-C à écriture directe un matériau candidat pour les détecteurs à photon unique. Les résultats sont publiés dans Communication Nature .

La supraconductivité est un phénomène physique se produisant à basse température dans de nombreux matériaux qui se manifeste par une résistance électrique évanouissante et l'expulsion de champs magnétiques de l'intérieur du matériau. Les supraconducteurs sont déjà utilisés pour l'imagerie médicale, circuits numériques rapides ou magnétomètres sensibles et détiennent un grand potentiel pour d'autres applications. Cependant, la conductivité de la majorité des supraconducteurs technologiquement importants n'est en fait pas "super". Dans ces supraconducteurs dits de type II, un champ magnétique externe pénètre dans le matériau sous forme de lignes quantifiées de flux magnétique. Ces lignes de flux sont connues sous le nom de tourbillons d'Abrikosov, nommé d'après Alexei Abrikosov dont la prédiction lui a valu le prix Nobel de physique en 2003. Déjà à des courants électriques modérément forts, les tourbillons commencent à se déplacer et le supraconducteur ne peut plus transporter le courant sans résistance.

Dans la plupart des supraconducteurs, un état faiblement résistif est limité par des vitesses de vortex de l'ordre de 1 km/s fixant les limites pratiques d'utilisation des supraconducteurs dans diverses applications. À la fois, de telles vitesses ne sont pas assez élevées pour prendre en compte la riche physique générique des systèmes collectifs hors d'équilibre. Maintenant, une équipe internationale de scientifiques de l'Université de Vienne, l'Université Goethe de Francfort, l'Institut des Microstructures du RAS, l'Université nationale V. Karazin de Kharkiv, l'Institut B. Verkin pour la physique et l'ingénierie des basses températures de la NAS a découvert un nouveau système supraconducteur dans lequel les quanta de flux magnétique peuvent se déplacer à des vitesses de 10 à 15 km/s. Le nouveau supraconducteur présente une rare combinaison de propriétés :haute uniformité structurelle, grand courant critique et relaxation rapide des électrons chauffés. La combinaison de ces propriétés garantit que le phénomène d'instabilité flux-écoulement - transition brusque d'un supraconducteur de l'état faiblement résistif à l'état conducteur normal - se produit à des courants de transport suffisamment importants.

"Dans les années récentes, il y a eu des travaux expérimentaux et théoriques pointant vers une problématique remarquable; il a été avancé que les tourbillons entraînés par le courant peuvent se déplacer encore plus rapidement que les porteurs de charge supraconducteurs, " dit Oleksandr Dobrovolskiy, auteur principal de la récente publication dans Communication Nature et directeur du Laboratoire de supraconductivité et de spintronique de l'Université de Vienne. "Toutefois, ces études ont utilisé des structures localement non uniformes. Initialement, nous avons travaillé avec des films propres de haute qualité, mais plus tard, il s'est avéré que les supraconducteurs sales sont de meilleurs matériaux candidats pour supporter la dynamique de vortex ultra-rapide. Bien que l'épinglage intrinsèque dans ceux-ci ne soit pas nécessairement aussi faible que dans d'autres supraconducteurs amorphes, la relaxation rapide des électrons chauffés devient le facteur dominant permettant un mouvement de vortex ultrarapide."

Pour leurs investigations, les chercheurs ont fabriqué un supraconducteur Nb-C par dépôt induit par faisceau d'ions focalisé dans le groupe du professeur Michael Huth à l'Université Goethe de Francfort-sur-le-Main, Allemagne. Remarquablement, en plus des vitesses de vortex ultra-rapides en Nb-C, la technologie de nanofabrication à écriture directe permet de fabriquer des nano-architectures de forme complexe et des circuits fluxoniques 3-D avec une interconnectivité complexe qui peuvent trouver une application dans le traitement de l'information quantique.

Défis pour les enquêtes sur la matière vortex ultra-rapide

"Afin d'atteindre le courant maximum qu'un supraconducteur peut transporter, le courant dit de désespoir, on a besoin d'échantillons assez uniformes sur une échelle de longueur macroscopique qui est en partie due à de petits défauts dans un matériau. Atteindre le courant qui s'affaiblit n'est pas seulement un problème fondamental, mais c'est aussi important pour les applications; une bande supraconductrice de largeur micrométrique peut être commutée dans un état résistif par un seul photon proche infrarouge ou optique si la bande est polarisée par un courant proche de la valeur du courant décroissant, comme cela a été prédit et confirmé dans des expériences récentes. Cette approche ouvre des perspectives pour la construction de détecteurs de photons uniques à grande surface qui pourraient être utilisés par ex. microscopie confocale, cryptographie quantique en espace libre, communication optique dans l'espace lointain, " dit Denis Vodolazov, chercheur senior à l'Institut des Microstructures de RAS, Russie.

Les chercheurs ont étudié avec succès la vitesse à laquelle les vortex peuvent se déplacer dans des bandes supraconductrices Nb-C sales ayant un courant critique à un champ magnétique nul proche du courant de désespoir. Leurs résultats indiquent que l'instabilité du flux de flux commence près du bord où les tourbillons pénètrent dans l'échantillon en raison de la densité de courant localement améliorée. Cela donne un aperçu de l'applicabilité des modèles d'instabilité d'écoulement de flux largement utilisés et suggère que le Nb-C est un bon matériau candidat pour les détecteurs rapides à photon unique.