Les transistors traditionnels sont basés sur la modulation d'un courant électrique sous un champ électrique, ce qui n'est possible qu'en utilisant des matériaux semi-conducteurs. Dans les semi-conducteurs, il y a moins de porteurs de charge libres que dans les métaux, et le niveau de Fermi (qui est le travail thermodynamique requis pour ajouter un électron au système) se situe dans une bande interdite d'énergie, ce qui implique que les électrons sont plus difficiles à exciter. /P>

En dopant les semi-conducteurs, on peut créer un certain nombre de porteurs libres, par exemple dans une bande vide, qui peuvent désormais être excités à des impulsions plus importantes et peuvent donc transporter du courant électrique à travers le matériau.

Avec les semi-conducteurs, un flux contrôlé d’électrons d’une source vers un puits est possible sous application d’un champ électrique. Étant donné que la caractéristique courant-tension du matériau est fortement non linéaire, un signal électrique peut ainsi être amplifié ou supprimé, comme dans une diode à jonction p-n.

Pourquoi les transistors sont-ils constitués de semi-conducteurs et non, par exemple, de métaux ? Avec des conducteurs métalliques, il n'est pas possible de réaliser des transistors en raison du grand nombre d'électrons libres (extrêmement mobiles), qui masquent complètement le champ électrique à l'intérieur du matériau.

En pratique, dès que vous activez un champ électrique à travers l'échantillon conducteur, tous les électrons se déplacent presque instantanément à l'intérieur de l'échantillon et se redistribuent en interne de telle sorte que leur nouvelle distribution spatiale crée un champ électrique qui annule exactement le champ électrique appliqué à l'extérieur.

Ce phénomène empêche ainsi la possibilité de contrôler le flux d'électricité (au microscope, le flux d'électrons libres) lorsqu'un champ électrique externe est activé aux bornes du conducteur.

Récemment, des supraconducteurs métalliques de seulement quelques nanomètres d'épaisseur ont été utilisés expérimentalement pour réaliser un nouvel effet de champ électrique comme voie viable vers des transistors métalliques. Les matériaux supraconducteurs sont des métaux qui, s’ils sont refroidis en dessous d’une certaine température critique, peuvent supporter le flux d’électrons sans résistance. En d'autres termes, ce sont des conducteurs idéaux où l'électricité peut circuler sans dissipation ni résistance.

La raison de ce comportement apparemment magique réside dans la formation de paires d'électrons maintenues ensemble par une « colle » fournie par les mouvements thermiques du réseau. Ces paires obéissent aux statistiques quantiques (statistiques de Bose-Einstein), qui permettent à un grand nombre de particules (des paires d'électrons collées, dans ce cas) d'occuper l'état d'énergie le plus bas ou l'état fondamental.

L'état fondamental forme alors une fonction d'onde quantique cohérente qui est immunisée contre les processus de diffusion qui génèrent de la résistivité, et ainsi, les électrons peuvent circuler librement à travers le matériau et transporter de l'électricité sans dissipation d'énergie.

En travaillant avec ces dispositifs métalliques supraconducteurs, une équipe expérimentale dirigée par Francesco Giazotto du Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) italien a observé qu'un champ électrique externe d'amplitude suffisante peut supprimer le courant électrique. Ce phénomène permet ainsi d'utiliser le film mince supraconducteur comme diode, puisque désormais, nous pouvons contrôler le courant électrique à travers le métal en réglant le champ électrique externe.

Même si les expériences ont été réalisées en utilisant des matériaux conventionnels très standards (par exemple l'aluminium), cet effet ne pouvait pas être expliqué par la théorie standard de la supraconductivité (qui a été développée par le même physicien, John Bardeen, qui a co-découvert le transistor et pour laquelle il a reçu un deuxième prix Nobel de physique, un cas tout à fait exceptionnel dans l'histoire).

Cette théorie, connue sous le nom de théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer ou BCS, explique que les mouvements thermiques du réseau (phonons) fournissent la colle qui forme les paires d'électrons en écrasant l'interaction coulombienne répulsive entre les deux électrons.

Ces dernières années, j'ai travaillé sur une théorie qui généralise la théorie BCS à des films métalliques très fins, d'une épaisseur de quelques nanomètres seulement, voire inférieure à un nanomètre.

Dans cette nouvelle théorie, j’ai mathématiquement mis en œuvre le principe selon lequel les particules quantiques telles que les électrons sont également associées à une longueur d’onde. Si cette longueur d'onde dépasse la taille du film mince, l'électron correspondant ne peut pas se propager à travers l'échantillon.

En faisant des calculs, avec mon élève Riccardo Travaglino, j'ai découvert que la distribution correspondante des états électroniques dans l'espace des impulsions disponibles (où l'impulsion d'une particule quantique est proportionnelle à l'inverse de sa longueur d'onde) est modifiée par le confinement géométrique.

En particulier, nous avons constaté que la sphère dite de Fermi, qui décrit l'impulsion occupée par les états électroniques libres dans les métaux, acquiert deux « poches de trous » sphériques symétriques d'états interdits (voir figure ci-dessus). Grâce à cette découverte, nous avons pu calculer la température critique à laquelle le métal devient supraconducteur, en excellent accord avec les données expérimentales.

Quelques mois plus tard, au printemps 2023, j'ai rencontré le professeur Vladimir Fomin de l'Institut Leibniz de Dresde et je lui ai illustré nos découvertes. Il a immédiatement souligné la pertinence potentielle de notre théorie pour la « diode métallique supraconductrice » expérimentale découverte par Giazotto et ses collègues.

Durant l'été 2023, avec le Professeur Fomin, nous avons ainsi démarré une collaboration visant à mettre en œuvre la théorie du confinement pour décrire un film mince supraconducteur sous un champ électrique externe.

Pour cette nouvelle théorie, nous avons dû prendre en compte le fait que la « colle » apportée par les phonons est également affectée par la concentration des électrons libres, tout comme leur répulsion coulombienne. Ces quantités, à leur tour, sont toutes deux fortement affectées par le confinement du film mince.

La nouvelle théorie, qui prend en compte ces aspects cruciaux, montre pour la première fois que la théorie microscopique de Bardeen-Cooper-Schrieffer convenablement modifiée, tenant compte du confinement, peut prédire la suppression induite par le champ électrique du courant électrique supraconducteur en raison des effets de confinement des ondes quantiques dans les ultra-conducteurs. -couches minces.

En pratique, en raison du confinement, il existe des poches de trous à l'intérieur de la mer de Fermi qui conduisent à une densité accrue d'états à la surface de Fermi. À son tour, cet effet renforce la répulsion coulombienne entre les électrons dans la mesure où un champ électrique peut facilement briser les paires d'électrons maintenues ensemble par la « colle » des phonons. La théorie explique ainsi que cet effet devient plus important lorsque l'épaisseur du film diminue, en accord avec les observations expérimentales.

Grâce à cette nouvelle théorie, toute une gamme de matériaux de portes quantiques peuvent être développés et optimisés pour de futures applications. De plus, la théorie du confinement prédit une nouvelle transition topologique lors d'une réduction supplémentaire de l'épaisseur du film d'une topologie triviale de la surface de Fermi à une topologie non triviale associée à un changement dans les propriétés électroniques.

Nos recherches sont publiées dans la revue Physical Review B .

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