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Fait marquant

Deux énergies pour une seule transition de phase



Des chercheurs de notre laboratoire mettent en évidence une transition supraconductrice en deux temps dans un matériau fortement désordonné : lorsqu’on les refroidit, les électrons s’apparient deux par deux mais pourtant la supraconductivité n’apparaît qu’à plus basse température encore.

Publié le 21 mai 2019
Dans un matériau supraconducteur, sous le seuil d’une température dite critique (Tc), les électrons sont appariés deux par deux. Ces paires, appelées paires de Cooper, forment un état décrit par une même onde quantique, le condensat. C’est cet état condensé qui explique la superfluidité du transport électrique et en particulier la résistance électrique rigoureusement nulle de ces matériaux quand ils sont portés à des températures inférieures à Tc. Dans la plupart des supraconducteurs, les paires de Cooper se forment et se condensent simultanément à Tc. Mais les supraconducteurs fortement désordonnés dérogent à cette règle.

Il existe en effet une classe de matériaux où, en raison d’un désordre important (défauts d’empilement, impuretés atomiques, etc…), et par des effets de confinement (couches minces de quelques nm d’épaisseur), les électrons peinent à se mouvoir au-dessus 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. Paradoxalement, les paires de Cooper font basculer la matière entre deux états quantiques opposés  : d’un état d’isolant d’Anderson caractérisé par une résistance électrique infinie vers un état supraconducteur de résistance nulle (voir fait marquant « un isolant supraconducteur »). Cependant, leur condensation est retardée par l’effet du désordre et une fois formées elles ne se condensent qu’à plus basse température.
Cette transition supraconductrice en deux temps est logiquement pilotée par deux échelles d’énergie que nous avons mises en évidence grâce à un microscope à effet tunnel refroidi à très basse température (50 mK). Voir Figure pour en savoir plus.

Spectres de conductance tunnel obtenus à 50 mK sur un film d’oxyde d’Indium amorphe. La conductance (à -3mV) est ajustée en faisant varier la distance entre la pointe du microscope et l’échantillon.
Les chercheurs du laboratoire Pheliqs ont enregistré des spectres pour différentes valeurs de conductance. Pour de faibles conductances (régime d’effet tunnel, courbe du bas), seuls deux pics sont visibles dans le spectre. Ils caractérisent le « pseudogap » relié à la formation des paires de Cooper (voir fait marquant « Qui se cache derrière le pseudogap »). En revanche pour des conductances supérieures au quantum de conductance (2 e2/h, régime de réflexion d’Andreev), une paire de pics supplémentaire émerge dans les spectres à une énergie plus basse. Elle correspond à la condensation des paires de Cooper en un état collectif superfluide.

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