La supraconductivité est un état de conductivité électrique parfaite présenté par certains matériaux, appelés supraconducteurs, lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température critique caractéristique. En dessous de la température critique, la résistance électrique d'un supraconducteur descend exactement à zéro et il peut conduire un courant électrique sans aucune perte (tant que le courant ne dépasse pas une valeur critique). Ce phénomène est la pierre angulaire de nombreuses technologies modernes telles que les aimants puissants, les détecteurs ultra-sensibles de champs magnétiques (SQUID) et les appareils numériques à grande vitesse.
Les nanofils individuels (fils dont les dimensions sont de l'ordre du milliardième de mètre) fabriqués à partir de supraconducteurs ont été activement étudiés au cours des deux dernières décennies. Lorsque les supraconducteurs sont utilisés à des échelles aussi minuscules, on peut observer des phénomènes quantiques exotiques absents des matériaux massifs. Par exemple, il était théoriquement prévu que les nanofils individuels subiraient des transitions de phase quantiques, le changement d'état du matériau étant provoqué par des fluctuations quantiques et non par la température. Malheureusement, ces prédictions sont restées indirectes car jusqu’à récemment, il n’existait aucun outil permettant d’observer directement la supraconductivité et les transitions de phase quantique dans les nanofils individuels.
"Dans nos travaux précédents rapportés l'année dernière dans Nature Communications, nous avons développé une technique expérimentale qui utilise des micro-ondes pour induire et détecter la supraconductivité dans les nanofils. Cette technique est tout à fait unique et elle nous permet pour la première fois non seulement de dire si un nanofil individuel montre la supraconductivité ou non, mais aussi pour observer directement diverses caractéristiques des nanofils supraconducteurs, notamment l'état sans résistance, le courant critique, l'écart énergétique, etc. Nous avons encore amélioré notre technique pour atteindre la sensibilité qui permet l'observation directe de. l'effet d'un champ magnétique externe sur un seul nanofil supraconducteur", explique Evgeny Mishchenko, chercheur scientifique principal au Laboratoire de matériaux et dispositifs quantiques du Centre Skoltech pour la science et la technologie quantiques.
Les scientifiques ont pris des nanofils individuels fabriqués à partir d’aluminium – un supraconducteur commun – et ont utilisé leur technique pour appliquer et détecter simultanément un courant électrique le long des nanofils. Ils ont ensuite exposé les nanofils à un champ magnétique externe et observé directement l’émergence et l’évolution de l’état sans résistance. Ils ont révélé l’évolution complexe de l’état sans résistance en fonction de la force du champ magnétique, expliquée par la théorie.
"Nous travaillons au perfectionnement de cette technique depuis près d'une décennie et je suis très heureux qu'elle nous permette enfin d'explorer et de comprendre directement la physique de base derrière le fonctionnement des dispositifs supraconducteurs à l'échelle nanométrique", déclare Alexander Golubov, professeur à Skoltech. et le chef du laboratoire de matériaux et dispositifs quantiques.
Les scientifiques soulignent que le développement ultérieur de la technique pourrait ouvrir la voie à la réalisation pratique de technologies d’informatique quantique et de communication quantique basées sur des nanofils supraconducteurs individuels. Par exemple, la transition de phase quantique observée est considérée comme très prometteuse pour la réalisation de ce que l’on appelle les fermions de Majorana, considérés comme les candidats les plus viables pour les qubits dans l’informatique quantique topologique.
