La découverte expérimentale d'un phénomène physique fondamental n'arrive pas souvent. C'est pourtant ce que les chercheurs de Skoltech et leurs collègues européens ont récemment réussi à faire :dans leur article dans Nature , ils rapportent la démonstration expérimentale de ce que l'on appelle l'effet de glissement de phase quantique cohérent AC. Il tient des promesses comparables à celles de l'effet Josephson, qui sous-tend la norme actuelle des capteurs de tension et de champ magnétique ultrasensibles.

L'effet de glissement de phase quantique cohérent en courant alternatif se manifeste sous la forme d'un motif d'étapes dans le courant électrique circulant à travers des nanofils supraconducteurs exposés aux micro-ondes. Le nanofil sert de barrière tunnel pour les quanta de flux magnétique, de la même manière qu'une fine couche d'isolant entre deux supraconducteurs - connue sous le nom de jonction Josephson - sert de barrière tunnel pour les charges électriques. (Prédite en 1962 par le scientifique britannique Brian Josephson et nommée en son honneur, la jonction Josephson lui a valu le prix Nobel de physique en 1973.)

Du point de vue de la physique classique, une jonction Josephson n'est pas différente d'une coupure de circuit. Cependant, en raison de l'effet tunnel de la mécanique quantique, le courant peut traverser sans aucune résistance. De même, si la physique classique ne permet pas au flux magnétique de "sauter" la barrière des nanofils, il peut néanmoins traverser de part en part grâce aux lois de la physique quantique.

L'effet de glissement de phase quantique cohérent AC pourrait avoir autant de potentiel que l'effet Josephson. Ce dernier est devenu la base des capteurs de champ magnétique ultrasensibles, utilisés, entre autres, pour détecter les champs magnétiques très faibles générés dans le cerveau. Une autre application des jonctions Josephson est liée au fait que, sous l'exposition aux micro-ondes, le courant traversant la jonction peut présenter des "échelons" de tension au lieu de changer de manière régulière.

Ces étapes dites de Shapiro sous-tendent la métrologie quantique :la norme actuelle de 1 volt repose sur des appareils à jonctions Josephson plutôt que sur un accumulateur chimique de référence hébergé dans un bureau des poids et mesures. De même, l'effet de glissement de phase quantique cohérent en courant alternatif pourrait être à la base d'un standard quantique de 1 ampère. "Cela permet une précision sans précédent, car avec ces deux effets, la taille du pas est déterminée par les lois fondamentales de la nature. Compte tenu de la supraconductivité, elle ne dépend en aucun cas des conditions externes ou des matériaux utilisés", a déclaré le chercheur principal de l'étude, le professeur Oleg. Astafiev de Skoltech, a commenté.

Dans leur étude de Nature , le groupe de recherche de Skoltech dirigé par Astafiev - qui dirige également le laboratoire de systèmes quantiques artificiels au MIPT - rapporte des observations de l'effet de glissement de phase quantique cohérent AC, l'un des rares effets physiques fondamentaux restants de la supraconductivité qui ont été théoriquement prédits mais pas expérimentalement réalisé. Il se manifeste par des étapes de Shapiro inverses ou doubles dans les nanofils supraconducteurs, dont les tracés courant-tension présentent des étapes de courant lorsque la tension varie. Ceci est analogue aux sauts de tension dans l'effet Shapiro connu depuis longtemps dans les jonctions Josephson.

Prédites dès les années 90 par les physiciens soviétiques Konstantin Likharev, Alexander Zorin et Dmitri Averin de l'Université d'État Lomonossov de Moscou, ces étapes actuelles ont jusqu'à présent échappé à l'observation expérimentale. Dans l'étude récente, le groupe de recherche international dirigé par Astafiev a utilisé une nouvelle approche. Le matériau de nanofil qu'ils ont choisi - des couches minces de nitrure de niobium - ainsi qu'une conception de circuit assez particulière ont été décisifs pour le succès de l'expérience :les chercheurs ont déposé des composants inductifs de la taille d'un micron, également en nitrure de niobium, à côté du nanofil. /P>

L'observation des étapes de Shapiro inverses fait plus que confirmer l'existence de ce phénomène physique fondamental. L'expérience jette également les bases de la création de nouveaux dispositifs utiles pour la recherche fondamentale, le développement de normes métrologiques et d'autres applications technologiques. + Explorer plus loin

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