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Supraconductivité : quand la dynamique des électrons évoque David et Goliath


​Une équipe de l'Irig et ses partenaires ont étudié la dynamique des électrons dans un nanofil de niobium supraconducteur. L'injection d'un très petit nombre d'électrons suffit à réduire drastiquement le courant critique circulant dans un supraconducteur. En cause, l'accumulation d'électrons énergétiques, issus des paires de Cooper brisées par ce très faible courant… 
Publié le 21 février 2023

Dans l'état fondamental d'un supraconducteur, les électrons s'apparient pour former des paires dites de Cooper.

Or une variation de température, un champ magnétique, un courant électrique ou des photons incidents peuvent briser ces paires, dont les électrons (appelés quasi-particules) redeviennent célibataires. La présence de quasi-particules signe donc un affaiblissement des propriétés supraconductrices, qui peut nuire, par exemple, au bon fonctionnement de circuits supraconducteurs porteurs de bits quantiques.

Des physiciens de l'Irig ont étudié la dynamique de formation des quasi-particules dans un nanofil de niobium supraconducteur, en injectant localement un courant bien contrôlé, à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM) fonctionnant à très basse température (50 mK).

Un STM permet en effet de transférer un courant tunnel faible, en maîtrisant à la fois l'énergie des électrons et leur nombre. Chaque électron injecté cède son énergie au supraconducteur, soit par interaction coulombienne avec les paires de Cooper, soit en induisant une vibration du réseau atomique (appelée phonon). Chaque paire brisée libère deux nouvelles quasi-particules qui vont, à leur tour, se désexciter en brisant d'autres paires. Cette cascade conduit à la formation d'un nuage de quasi-particules. Or ce point chaud peut abaisser le courant maximal (dit critique) qu'un dispositif supraconducteur peut transporter sans transiter vers son état résistif.

C'est précisément ce que les chercheurs mettent en évidence : le courant critique d'une centaine de micro-ampères du nanofil supraconducteur est fortement diminué à l'aide d'un courant tunnel un million de fois plus faible ! Ils démontrent que ce phénomène s'explique par un effet thermique, mettant ainsi fin à un débat sur un hypothétique effet de champ électrique.

De plus, ils ont pu modéliser la dynamique de formation du nuage de quasi-particules et déterminer leur temps de relaxation, de l'ordre de 40 picosecondes (10-12 s). Cette information est fondamentale pour protéger les qubits de l'empoisonnement par des quasi-particules. Elle permettra aussi d'optimiser les performances de détecteurs de photons utilisant la destruction des paires de Cooper. 

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