Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) abordent le mystère vieux de deux décennies expliquant pourquoi un état métallique anormal apparaît dans la transition supraconducteur-isolant dans les supraconducteurs 2D. Par des mesures expérimentales d'un effet thermoélectrique, ils ont découvert que l'état liquide quantique des vortex quantiques provoque l'état métallique anormal. Les résultats clarifient la nature de la transition et pourraient aider à la conception de dispositifs supraconducteurs pour les ordinateurs quantiques.

L'état supraconducteur, dans lequel le courant circule avec une résistance électrique nulle, fascine les physiciens depuis sa découverte en 1911. Il a été largement étudié non seulement en raison de ses applications potentielles mais aussi pour mieux comprendre les phénomènes quantiques. Bien que les scientifiques en sachent beaucoup plus sur cet état particulier aujourd'hui qu'au 20e siècle, il semble qu'il n'y ait pas de fin aux mystères que recèlent les supraconducteurs.

Un célèbre, un exemple technologiquement pertinent est la transition supraconducteur-isolant (SIT) dans les matériaux bidimensionnels (2-D). Si l'on refroidit des films minces de certains matériaux à une température proche du zéro absolu et applique un champ magnétique externe, les effets des fluctuations thermiques sont suffisamment supprimés pour que les phénomènes purement quantiques (comme la supraconductivité) dominent macroscopiquement. Bien que la mécanique quantique prédise que le SIT est une transition directe d'un état à l'autre, de multiples expériences ont montré l'existence d'un état métallique anormal intervenant entre les deux phases.

Jusque là, l'origine de ce mystérieux état intermédiaire a échappé aux scientifiques pendant plus de deux décennies. C'est pourquoi une équipe de scientifiques du département de physique de Tokyo Tech, Japon, a récemment entrepris de trouver une réponse à la question dans une étude publiée dans Lettres d'examen physique . Professeur adjoint Koichiro Ienaga, qui a dirigé l'étude, explique leur motivation, "Il existe des théories qui tentent d'expliquer l'origine de la résistance dissipative à température nulle dans les supraconducteurs 2-D, mais aucune démonstration expérimentale définitive utilisant des mesures de résistance n'a été faite pour clarifier sans ambiguïté pourquoi le SIT diffère des modèles de transition de phase quantique attendus."

Les scientifiques ont utilisé un film mince de molybdène-germanium amorphe (MoGe) refroidi à une température extrêmement basse de 0,1 K et appliqué un champ magnétique externe. Ils ont mesuré un effet thermoélectrique transversal à travers le film appelé "effet Nernst, " qui peut sonder de manière sensible et sélective les fluctuations supraconductrices causées par le flux magnétique mobile. Les résultats ont révélé quelque chose d'important sur la nature de l'état métallique anormal :l'"état liquide quantique" des vortex quantiques provoque l'état métallique anormal. L'état liquide quantique est le état particulier où les particules ne sont pas gelées même à température nulle en raison des fluctuations quantiques.

Plus important encore, les expériences ont découvert que l'état métallique anormal émerge de la criticité quantique; la région critique quantique élargie particulière à température zéro correspond à l'état métallique anormal. Ceci contraste fortement avec le "point" critique quantique à température zéro dans le SIT ordinaire. Les transitions de phase médiées par des fluctuations purement quantiques (points critiques quantiques) sont des énigmes de longue date en physique, et cette étude nous rapproche un peu plus de la compréhension du SIT pour les supraconducteurs 2D. Enthousiasmé par les résultats globaux, Ienaga remarque, "Détecter avec précision les fluctuations supraconductrices en régime purement quantique, comme nous l'avons fait dans cette étude, ouvre une nouvelle voie aux dispositifs supraconducteurs de nouvelle génération, y compris q-bits pour les ordinateurs quantiques."

Maintenant que cette étude a fait la lumière sur le mystère SIT vieux de deux décennies, des recherches supplémentaires seront nécessaires pour mieux comprendre les contributions des tourbillons quantiques dans l'état métallique anormal. Espérons que l'immense pouvoir de la supraconductivité sera bientôt à portée de main !