Des chercheurs mesurent une signature d'interférence supraconductrice à l'échelle atomique

Ce schéma montre la jonction tunnel avec la pointe fonctionnalisée par une impureté magnétique, qui induit l'état YSR par un couplage impureté-supraconducteur. La pointe et l'échantillon sont supraconducteurs, de sorte qu'ils supportent un courant Josephson. La jonction tunnel entre la pointe et l'échantillon comporte deux canaux de transport. Un canal de transport inclut l'état YSR et l'autre n'inclut aucun état supplémentaire (BCS). L'interférence entre ces canaux de transport modifie le courant Josephson, qui fournit des informations sur l'état fondamental de l'impureté YSR. Crédit :Karan et al.

Les supraconducteurs, matériaux capables de conduire l'électricité sans résistance à basse température, possèdent de nombreuses propriétés intéressantes et avantageuses. Ces dernières années, les physiciens et les informaticiens ont étudié leur potentiel pour différentes applications, y compris la technologie informatique quantique.

Des impuretés magnétiques couplées à un supraconducteur peuvent produire des états dits Yu-Shiba-Rusinov (YSR) à l'intérieur du gap supraconducteur. Lorsque le couplage de ces impuretés aux supraconducteurs augmente, l'état YSR subit une transition de phase quantique, provoquant un changement de l'état fondamental du matériau. Alors que de nombreux physiciens ont étudié les états YSR et leur transition de phase quantique au cours des dernières années, leur effet sur l'état fondamental des supraconducteurs est encore mal compris.

Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide, de l'Université d'Ulm, du Centre aérospatial allemand (DLR), de l'Université d'Uppsala et de l'Université autonome de Madrid ont récemment mené une étude visant à recueillir de nouvelles informations sur les changements d'état fondamental associés aux états YSR. Leur étude, publiée dans Nature Physics , a conduit à l'observation détaillée d'un changement dans le courant dit de Josephson comme signature de la transition de phase de l'état YSR.

"Alors que les états YSR ont été largement étudiés au cours des dernières années et qu'il existe des indications indirectes que l'état YSR subit une transition de phase quantique, une indication directe de la façon dont l'état fondamental change a été manquante", a déclaré Christian Ast, l'un des chercheurs qui a effectué l'étude, a déclaré à Phys.org. « Fondamentalement, la transition de phase quantique pouvait être observée, mais il n'était jamais tout à fait clair de quel côté de la transition de phase quantique on se trouvait. Si le couplage d'échange est faible, le spin d'impureté est libre (l'état YSR est vide dans l'état fondamental ) et si le couplage d'échange est fort, le spin de l'impureté est filtré en occupant l'état YSR dans l'état fondamental."

Lorsqu'ils sont couplés à des supraconducteurs, les spins dans les points quantiques créent ce que l'on appelle une jonction p-Josephson, une inversion du supercourant du matériau qui peut être observée en mesurant le courant Josephson, également appelé supercourant ou courant de paire de Cooper. Ast et ses collègues ont donc entrepris de mesurer le courant de Josephson à travers un état YSR et à travers la transition de phase quantique de cet état.

"Le courant Josephson peut nous dire de quel côté de la transition de phase quantique se trouve l'état YSR", a expliqué Ast.

Tout d'abord, les chercheurs ont utilisé un mK-STM, un microscope à effet tunnel qui fonctionne à une température de base de 10 mK, pour mesurer localement une seule impureté avec un état YSR dans leur échantillon. Leurs expériences ont été menées au laboratoire de précision du Max Planck Institute for Solid State Research, qui héberge le mK-STM.

"Pour observer l'inversion du supercourant, nous avons dû utiliser un détail très délicat", a déclaré Ast. "L'inversion du supercourant est due à un déphasage à travers la jonction tunnel. Pour être précis, les déphasages de p, c'est-à-dire 180 degrés, ce qui équivaut à un changement de signe, c'est pourquoi ces jonctions sont appelées jonctions p et je suppose que ce changement de signe a inventé le terme "inversion supercourante"."

Les changements de phase tels que ceux sondés par Ast et ses collègues sont très difficiles à détecter expérimentalement. Généralement, la détection de ces changements nécessite une seconde jonction tunnel qui peut être utilisée comme jonction de référence. Jusqu'à présent, la plupart des chercheurs ont détecté des changements de phase à l'aide de ce qu'on appelle un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID).

Les SQUID sont des appareils très sensibles capables de détecter et de mesurer des champs magnétiques subtils, des courants, des tensions ou des déplacements. Ces appareils sont basés sur l'effet Josephson et ils mesurent les changements dans les courants Josephson.

"Nous avons imité un tel dispositif en exploitant un deuxième canal de transport dans notre jonction tunnel, qui sert de jonction de référence", a déclaré Ast. "En conséquence, nous voyons des interférences constructives d'un côté de la transition de phase quantique et des interférences destructives entre les deux canaux de l'autre côté, qui se manifestent par une modification de l'amplitude du courant Josephson."

Au cours de leur étude, Ast et ses collègues ont présenté ce qui pourrait être décrit comme le plus petit dispositif SQUID développé à ce jour. À l'aide de cet appareil, ils ont détecté la transition 0-p dans l'état YSR produite par une impureté magnétique à l'intérieur d'un semi-conducteur.

"La principale différence entre un SQUID conventionnel et notre appareil est que nous n'avons pas de boucle supraconductrice à travers laquelle nous pouvons faire passer un champ magnétique pour régler la phase", a expliqué Ast. Par conséquent, nous ne pouvons détecter qu'un changement de signe, ce qui est tout à fait suffisant pour notre propos. Avec notre appareil, nous avons détecté avec succès le changement de phase dans la transition 0-p de l'état YSR à travers la transition de phase quantique."

Ce changement du courant Josephson mesuré par cette équipe de chercheurs est une signature claire d'un changement de l'état fondamental produit par l'état YSR lors de sa transition de phase quantique. Ast et ses collègues ont pu détecter ce changement en exploitant pour la toute première fois l'interférence entre deux canaux tunnel dans l'effet Josephson, utilisant ainsi leur SQUID "miniature" comme capteur.

Dans leurs prochaines études, les chercheurs espèrent recueillir de nouvelles informations sur les changements de phase dans les supraconducteurs en utilisant le capteur présenté dans leur article et d'autres nouveaux dispositifs. En fin de compte, leur mission est de dévoiler de nouvelles limites quantiques en réduisant les systèmes à leur strict minimum, en supprimant leurs interactions et en les réduisant au niveau atomique.

"La physique de ces systèmes peut être modélisée par des théories relativement simples, ce qui rend le résultat magnifique", a ajouté Ast. "Ce travail est une étape importante dans cette quête de nouvelles limites quantiques. Outre cet objectif général, nous cherchons à exploiter cette sensibilité de phase nouvellement découverte dans les pointes YSR fonctionnalisées pour détecter d'autres phénomènes exotiques." + Explorer plus loin