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Deux énergies pour une seule transition supraconductrice


​Des chercheurs de l'Irig mettent en évidence une transition supraconductrice en deux temps dans un matériau bidimensionnel fortement désordonné : les électrons s'apparient à la température critique mais la supraconductivité n'apparaît qu'à plus basse température.
Publié le 17 mai 2019

En dessous d'une température dite critique (Tc), un matériau supraconducteur voit ses électrons s'organiser en paires de Cooper. L'ensemble de celles-ci forme alors un état quantique macroscopique, appelé « condensat », qui est à l'origine de la « superfluidité » du transport électrique et de la résistance électrique rigoureusement nulle, caractéristiques des supraconducteurs.  Dans la plupart des cas, les paires de Cooper se forment et se « condensent » simultanément à Tc. Mais certains matériaux fortement désordonnés dérogent à cette règle : les paires de Cooper se forment mais ne se condensent pas.

Un désordre structurel dû à des défauts d'empilement ou des impuretés atomiques, combiné à un effet de confinement au sein d'une couche mince de quelques nanomètres d'épaisseur, peut en effet empêcher les électrons de se mouvoir au-dessous de Tc. Ces matériaux sont alors proches d'une transition quantique vers un état isolant dit d'Anderson, pour lequel les électrons restent localisés à température nulle.

De manière contre-intuitive, la matière tend alors à basculer entre deux états quantiques extrêmes : isolant Anderson à résistance infinie et supraconducteur à résistance nulle. La condensation des paires de Cooper, retardée en raison du désordre et du confinement, ne peut se produire que pour une température nettement plus basse que Tc.

Grâce à un microscope à effet tunnel refroidi à très basse température (50 mK), des chercheurs de l'Irig ont mis en évidence expérimentalement les énergies caractéristiques pilotant une telle transition supraconductrice. Ils ont fait varier la conductance tunnel d'un film amorphe d'oxyde d'indium et enregistré les spectres d'énergie associés. Au-delà du quantum de conductance 2e2/h, ils ont vu grandir deux paires de pics. La plus grande, déjà visible pour les faibles conductances, est associée à l'énergie nécessaire à la formation des paires de Cooper, l'autre à celle de leur condensation en un état collectif superfluide. 

Spectres de conductance tunnel obtenus à 50 mK sur un film d’InO.

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