Les supraconducteurs sont des matériaux qui peuvent entrer dans un état sans résistance électrique, à travers lequel les champs magnétiques ne peuvent pas pénétrer. En raison de leurs propriétés intéressantes, de nombreux scientifiques et ingénieurs des matériaux ont exploré le potentiel de ces matériaux pour une large gamme d'applications électroniques.

Un avantage clé des supraconducteurs est qu'ils peuvent transporter des signaux électriques tout en empêchant leur dissipation, ce qui est particulièrement utile lors du développement d'ordinateurs quantiques. Cependant, le contrôle de leurs états, comme cela se fait couramment avec la technologie des semi-conducteurs, s'est jusqu'à présent avéré difficile.

Il y a quelques années, une étude suggérait que la supraconductivité des matériaux supraconducteurs pouvait être activée et désactivée. Des chercheurs d'IBM Research à Zurich ont approfondi ces résultats, dans l'espoir d'expliquer le mécanisme de commutation dévoilé par cette étude précédente. Leurs découvertes ont récemment été présentées dans un article publié dans Nature Electronics .

"Les supraconducteurs sont avant tout des métaux, et les métaux filtrent très efficacement les champs électriques externes", ont déclaré à Phys.org Andreas Fuhrer et Fabrizio Nichele, deux des chercheurs qui ont mené l'étude. "Ce concept fondamental, présent dans tous les manuels de physique, a été remis en question par une publication de 2018. Dans ce travail, les auteurs ont affirmé avoir activé et désactivé la supraconductivité dans un nanofil de titane via des champs électriques modérés appliqués par une électrode de grille à proximité. "

Si elles sont confirmées, les découvertes recueillies en 2018 par NEST et SPIN-CNR en Italie permettraient le développement de tout nouveaux types de dispositifs électroniques et informatiques quantiques basés sur des supraconducteurs. Il y a quelques années, ils ont ainsi entrepris de dévoiler le mécanisme physique microscopique qui se produit dans les supraconducteurs de taille nanométrique en présence de champs électriques.

Dans un premier article publié en 2021, les chercheurs ont donné quelques premiers indices sur l'origine possible de la supraconductivité supprimée observée dans les nanofils de titane. Leur nouvelle étude s'appuie sur cet article, offrant une explication plus détaillée des résultats recueillis par l'équipe de NEST et SPIN-CNR.

"Nos travaux précédents ont montré que la suppression de la supraconductivité allait toujours de pair avec de petits courants de fuite circulant de l'électrode de grille vers le nanofil", ont expliqué Fuhrer et Nichele. « De tels courants étaient très faibles (quelques pA ou 0,000 000 000 001 Ampère), de sorte qu'ils auraient pu passer inaperçus dans des travaux antérieurs. Pour nous, il était raisonnable de supposer qu'un tel courant serait responsable de perturber la supraconductivité, car l'énergie de chaque électron transporté par le courant était assez grande (environ 100 000 plus grande que l'énergie de liaison maintenant les électrons dans un métal à l'état supraconducteur)."

Bien que leur étude précédente ait permis à Fuhrer, Nichele et leurs collègues d'avoir une idée du mécanisme possible sous-tendant la suppression observée de la supraconductivité, il manquait encore un certain nombre d'ingrédients clés. L'objectif principal de leur récent article était d'offrir une explication solide et satisfaisante du phénomène.

"Nos nouvelles expériences sont tout à fait cohérentes avec nos premiers travaux, en ce sens que nous montrons à nouveau que les courants qui fuient des grilles (et non les champs électriques) sont nécessaires pour supprimer la supraconductivité dans les nanofils métalliques", ont déclaré Fuhrer et Nichele. "Cependant, nous avons maintenant également montré que le courant ne doit pas nécessairement circuler de la grille au nanofil."

Les chercheurs ont obtenu des résultats similaires lorsque le courant d'électrons de haute énergie sortait du fil et lorsqu'il circulait entre deux électrodes placées à proximité du nanofil (sans qu'aucun électron n'atteigne le nanofil lui-même). Ces résultats mettent en évidence le rôle crucial du substrat du matériau dans la suppression de la supraconductivité.

Les dispositifs que les chercheurs ont utilisés dans leurs expériences sont basés sur une tranche de silicium cristallin. C'est le substrat où circulent les courants d'électrons à haute énergie lorsque des tensions élevées sont appliquées entre les électrodes.

"Alors que les électrons, accélérés à haute énergie par les grandes tensions, se déplacent dans le silicium, ils frappent continuellement les atomes de silicium, transférant leur énergie aux vibrations dans le réseau cristallin (ce que les physiciens appellent des" phonons ")", ont expliqué Fuhrer et Nichele. "A la différence des électrons, les phonons parcourent de très longues distances dans le réseau de silicium (plusieurs micromètres) et peuvent facilement perturber l'état supraconducteur dans le nanofil métallique."

Les travaux récents de Fuhrer, Nichele et leurs collègues montrent que, contrairement aux photons, les phonons agissent comme des médiateurs. Sur la base de cette découverte, l'équipe a créé un dispositif de commutation constitué d'une tranchée profonde gravée dans un substrat de silicium.

"La tranchée reflète les phonons générés d'un côté et protège le nanofil, qui persiste plus longtemps dans l'état supraconducteur", ont déclaré Fuhrer et Nichele. "Les vibrations sont toujours présentes dans un cristal, plus la température est élevée plus le cristal vibre. Cependant, les phonons que nous produisons dans nos appareils ont des énergies totalement différentes de celles résultant d'une augmentation de température."

Lorsque les chercheurs ont mené leurs expériences à des températures inférieures à 4 Kelvin, ils ont découvert que les photons produits avaient une température supérieure à 100 Kelvin. Cette découverte explique pourquoi les dispositifs de commutation comme celui qu'ils ont développé ont des besoins en énergie très faibles par rapport aux commutateurs plus conventionnels.

Dans l'ensemble, les travaux récents de Fuhrer, Nichele et leurs collègues d'IBM Research offrent une explication cohérente et convaincante des résultats expérimentaux publiés par l'équipe de NEST et SPIN-CNR en 2018, qui étaient auparavant inexpliqués. À l'avenir, leur explication pourrait aider à mieux comprendre les supraconducteurs, permettant potentiellement leur utilisation pour le développement de nouveaux types de dispositifs.

"Notre étude contribue également à une nouvelle génération de dispositifs supraconducteurs où un élément métallique peut être commuté de supraconducteur à résistif de manière très rapide et économe en énergie", ont déclaré Fuhrer et Nichele. "Cela pourrait trouver une application immédiate dans le domaine du calcul quantique, par exemple dans le domaine qui implique l'électronique de contrôle interfaçant les bits quantiques avec les ordinateurs classiques."

Dans leur article, Fuhrer, Nichele et leurs collègues ont également introduit une approche pour générer des électrons et des phonons à haute énergie à la demande. Les particules à haute énergie, telles que les rayons cosmiques qui frappent la Terre depuis l'espace, sont connues pour avoir un impact négatif sur le fonctionnement des ordinateurs quantiques. À l'avenir, leur approche pourrait donc également être utilisée pour étudier plus avant les effets des excitations à haute énergie sur la technologie quantique.

"Notre activité principale est la réalisation de bits quantiques", a-t-il ajouté. "Dans nos prochains articles, nous aimerions combiner notre élément de commutation avec un qubit et étudier à quelle distance le commutateur peut être placé afin que de nouvelles fonctionnalités soient introduites sans les inconvénients associés aux phonons." + Explorer plus loin

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