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NanoSciences de Paris
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Supraconductivité : vortex géant mis au jour

L’apparition de vortex – minuscules tourbillons de courant – dans certains supraconducteurs, n’est pas sans influence sur l’énergie cinétique induite. Qu’advient-il d’un système supraconducteur, lorsqu’il s’apparente à la taille du cœur de ces vortex ? Réponse par l’expérience (1), des chercheurs de l’Institut des Nanosciences de Paris : la fusion d’un réseau de vortex en un unique vortex géant. Une observation inédite.

La supraconductivité est un phénomène où l’ensemble des électrons adopte un comportement collectif donnant lieu à l’existence de supercourants non dissipatifs (la résistance électrique s’annule). Ces courants, dits courants Meissner, engendrent un diamagnétisme parfait en présence d’un champ magnétique. Autrement dit, le supraconducteur tend à empêcher la pénétration du champ magnétique en générant des courants permanents. Les courants Meissner augmentent proportionnellement au champ magnétique ; au-delà d’une certaine valeur, ces courants deviennent si forts, qu’ils dépassent le courant critique que le supraconducteur peut soutenir. Comme parade, les supraconducteurs génèrent des vortex, minuscules tourbillons de courant circulant en sens contraire des courants Meissner.

Ces deux courants interfèrent donc destructivement, ce qui réduit grandement l’énergie cinétique des courants. L’amplitude des courants diverge au voisinage du centre du vortex, ce qui conduit à la destruction de l’ordre supraconducteur dans une région appelée cœur du vortex, comparable à l’œil du cyclone. La supraconductivité est liée à l’apparition de paires d’électrons, les paires de Cooper. Au cœur des vortex, ces paires sont détruites dans un rayon correspondant à la taille typique d’une paire appelée, longueur de cohérence.

La question posée par les chercheurs de l’Institut des nanosciences de Paris (INSP) est la suivante : Qu’advient-il des propriétés d’un supraconducteur, lorsque la taille du système devient comparable au diamètre du cœur de vortex ?

Pour y répondre, l’équipe « Dispositifs quantiques contrôlés » de l’INSP a utilisé la microscopie/spectroscopie à effet tunnel, qui permet d’étudier les propriétés électroniques de la matière à l’échelle atomique et d’imager directement les cœurs vortex.

La supraconductivité est un phénomène qui a lieu à très basse température. Pour l’observer, il faut utiliser des instruments refroidis à des températures proches du zéro absolu (-273°C) ; c’est le cas du microscope à effet tunnel de l’INSP qui fonctionne dans de forts champs magnétiques, à seulement 0,3 degré au dessus du zéro absolu.

En observant, avec cet instrument, des nano-supraconducteurs dont les dimensions latérales étaient de l’ordre de, quelquefois, la taille d’un cœur de vortex, les chercheurs en présence ont pu étudier de façon très fine, des phénomènes induits par ce fort confinement. En particulier, l’équipe a montré que plusieurs vortex peuvent fusionner pour former un seul vortex géant, objet quantique inédit. La fusion d’un réseau de vortex en un seul vortex géant était un phénomène de confinement quantique prédit depuis 1965, mais jamais directement observé. Avec cette étude, c’est désormais chose faite !

(1) « Vortex Fusion and Giant Vortex States in Confined Superconducting Condensates » Cren, T . ; Serrier-Garcia, L. ; Debontridder, F. ; Roditchev, D. PHYSICAL REVIEW LETTERS 107 (9) Art N° : 097202 (2011)

 

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Image de spectroscopie tunnel à balayage d’îlots de plomb de 7 couches atomiques d’épaisseur et d’une centaine de nanomètre de diamètre. Sous l’effet du champ magnétique la supraconductivité (en rouge) est progressivement détruite, des vortex (en violet) apparaissent au centre des îlots. Le petit îlot accepte un vortex, le moyen deux vortex et le grand exhibe un vortex géant. A gauche, spectres de conductance tunnel montrant la densité d’état au bord du petit îlot en fonction du champ magnétique appliqué.