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En modifiant le nombre d’électrons dans un supraconducteur, il est possible de contrôler les énergies caractéristiques associées aux propriétés supraconductrices du matériau. C’est ce que viennent de montrer des chercheurs du Laboratoire de Physique et d’Etude des Matériaux (LPEM, ESPCI Paris - Université PSL / CNRS / UPMC - Sorbonne Universités), en collaboration avec l’Unité Mixte de Physique (CNRS / Thales), le Laboratoire National de Physique de New-Dehli et l’Université La Sapienza de Rome. Ce résultat a été publié dans la revue Nature Communications.
Vue éclatée de l'hétérostructure LaAlO3 / SrTiO3. Les électrons (non représentés) sont confinés sur quelques nanomètres à l'interface entre les deux matériaux.
La supraconductivité est un état quantique de la matière, qui confère à certains matériaux solides une double propriété, celle d’expulser leur champ magnétique et de conduire le courant sans aucune résistance électrique. La transition d’un état métallique classique à supraconducteur s’opère lorsque le matériau est refroidi en-dessous de sa température critique, souvent proche du zéro absolu (-273°C). Les électrons, à l’origine indépendants les uns des autres, s’assemblent deux à deux pour former des paires d’électrons en phase, qui condensent dans le même état d’énergie. Ces paires d’électrons se comportent ainsi comme une onde homogène, fluide et cohérente, caractéristique de la supraconductivité.
Pour décrypter le phénomène, les chercheurs du LPEM s’intéressent à une hétérostructure, formée d’un cristal de SrTiO3 sur lequel a été déposé une fine couche de LaAlO3. Alors que ces deux oxydes sont des isolants, l’hétérostructure présente des propriétés supraconductrices à basse température. Dans ce système, les électrons s’accumulent pour former un gaz bidimensionnel confiné dans un puits quantique à l’interface des deux matériaux. Grâce à l’effet de champ électrique, les chercheurs sont parvenus à modifier, de manière continue, le nombre d’électrons présents dans ce gaz et à jouer avec les limites de la supraconductivité. Lorsque le nombre d’électrons est réduit, les énergies associées à l’appariement des électrons et à la cohérence de phase du condensat supraconducteur entrent en compétition. Les paires d’électrons se forment mais ne sont plus en phase, et le matériau perd ses propriétés supraconductrices.
Ces résultats éclairent la compréhension des propriétés de la supraconductivité et ouvrent de nouvelles perspectives dans le domaine de l’information quantique. Combinée aux propriétés magnétiques du système, la supraconductivité des interfaces LAlO3 / SrTiO3 devrait acquérir des propriétés singulières dites « topologiques ». De telles phases de la matière ont été prédites par Ducan Haldane, Michael Kosterlitz et David Thouless, récompensés par le Prix Nobel de physique en 2016. Elles font l’objet d’intenses recherches car elles « protègent » les phases quantiques des perturbations, ce qui devrait permettre d’encoder de l’information quantique de manière robuste. Il sera ainsi possible de mettre en œuvre des protocoles de calcul quantique topologique, un tout nouveau domaine de recherche qui suscite d’ores et déjà l’intérêt des géants de l’industrie informatique.
Publication associée :
Competition between electron pairing and phase coherence in superconducting interfaces, G. Singh et al., Nature Communications, volume 9, article number : 407 (2018), doi:10.1038/s41467-018-02907-8. https://www.nature.com/articles/s41467-018-02907-8
Contact chercheur :
Nicolas Bergeal : 
Equipe Phasme, Laboratoire de Physique et d’Etude des Matériaux (LPEM)