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Des étoiles dans les supraconducteurs


Des physiciens viennent de montrer que les matériaux bidimensionnels permettent d’augmenter significativement la portée spatiale d’états quantiques engendrés par des atomes magnétiques immergés dans des supraconducteurs.

La supraconductivité conventionnelle est obtenue par l’appariement d’électrons de spins opposés en paires de Cooper. Cet état de spin particulier rend le système très sensible aux perturbations magnétiques et, dans le cas d’atome magnétiques individuels, donne naissance à des états polarisés en spin appelés états de Yu-Shiba-Rusinov. Malgré deux décennies de recherches, la structure spatiale de ces états n’avait jamais pu être mesurée en raison de leur portée limitée spatialement à quelques Angströms. Des physiciens de l’institut des nanosciences de Paris (INSP) en collaboration avec une équipe théorique du Laboratoire de physique des solides (LPS) d’Orsay et de l’institut Jean Rouxel de Nantes, ont mis en évidence le lien intime qui existe entre dimensionnalité et extension spatiale. En sondant la structure spatiale de la fonction d’onde associée à la destruction des paires de Cooper par les défauts magnétiques, ils ont pu révéler sa forme étoilée gouvernée par la structure électronique du système. Les résultats obtenus par microscopie à effet tunnel s’accordent parfaitement aux modélisations théoriques aussi bien du point de vue de l’extension spatiale que de la structure oscillante ou de la forme étoilée de la fonction d’onde. Ce travail vient d’être publié dans la revue Nature Physics.


Figure : a. Carte spectroscopique contenant plusieurs impuretés magnétiques situées à différentes profondeurs dans le matériau. b. Simulation liaison forte des états de Yu-Shiba-Rusinov.

Pour obtenir ces résultats, les physiciens ont étudiés des cristaux supraconducteurs possédant une structure lamellaire, conférant à la structure électronique un comportement quasi-bidimensionnel. La croissance de ces monocristaux a été réalisée en ajoutant un faible pourcentage d’impuretés de fer conduisant à l’inclusion de défauts magnétiques répartis de manière homogène dans les échantillons. En déplaçant la pointe du microscope au-dessus de l’échantillon, les physiciens ont alors pu mesurer la dépendance spatiale du courant tunnel et reconstituer la distribution des états électroniques et par conséquent imager la structure des états de Yu-Shiba-Rusinov. Ces résultats ouvrent la voie vers une nouvelle approche pour coupler des impuretés magnétiques distantes et produire des fermions de Majorana. Ces excitations exotiques de systèmes supraconducteurs pourraient être une des clés du calcul quantique en raison de leur protection topologique.

Référence :


Coherent long-range magnetic bound states in a superconductor
G. C. Ménard et al.
Nature Physics 11, 1013 (2015).

Contact :


Tristan Cren
Pascal Simon