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Transport d’énergie dépendant du spin dans un supraconductor mésoscopique


Les supraconducteurs dans leur état fondamental ne peuvent transporter ni spin (aimantation) ni énergie ; on pourrait donc supposer qu’ils ne sont pas utiles pour le domaine émergent de la caloritronique de spin, c’est-à-dire l’électronique basée sur le transport couplé de spins et chaleur. Néanmoins, les excitations supraconductrices, appelées quasiparticules, sont des fermions et peuvent également transporter de l’énergie. Le groupe NS2 (Nanostructures à la Nanoseconde) au LPS a constaté que le transport de la chaleur par ces quasiparticules peut dépendre de leur spin ; par conséquent, la température effective associée aux quasiparticules de spin up peut être différente de celle des spin down.

Des chercheurs du groupe NS2 ont étudié des fils nano-fabriqués d’aluminium supraconducteur en couches minces. Ils ont généré des quasiparticules en injectant un courant dans le fil supraconducteur à partir d’une électrode de métal normal, à travers une barrière tunnel (électrode bleue sur la figure). En présence d’un champ magnétique parallèle au fil (« Zeeman field » dans la figure), les quasiparticules injectées sont polarisées en spin, c’est-à-dire qu’il y a plus de quasiparticules de spin down que de spin up.

A courte distance (< 1 µm à plusieurs µm) de l’injecteur se trouvent des électrodes de détection supraconductrices (roses sur la figure), également en contact avec le fil à travers une barrière tunnel. Les mesures spectroscopiques sensible au spin au niveau de ces détecteurs ont permis de comprendre la distribution d’énergie des quasi-particules dans le supraconducteur.

Lorsque les quasiparticules de spin opposés transportent différents courants d’énergie un nouveau mode hors équilibre peut-être excité : le « mode d’énergie de spin ». Les quasiparticules spin up et down sont alors distribuées différemment en énergie. Contrairement aux métaux normaux, le mode d’énergie de spin dans les supraconducteurs donne lieu à un déséquilibre de charge (c’est-à-dire un nombre différent de quasiparticules de charge positive et négative). Ce déséquilibre de charge apparaît dans une région bien circonscrite d’énergie et de champ magnétique. Les mesures spectroscopiques des chercheurs de l’équipe NS2 ont permis d’observer ce phénomène et d’identifier sans ambiguïté le mode d’énergie de spin dans un supraconducteur.

Dispositif expérimental
Dispositif expérimental
Le dispositif utilisé dans l’expérience. Les quasiparticules sont injectées dans un fil supraconducteur (en gris) à partir d’un métal normal (en bleu à gauche). Les fonctions de distribution des quasiparticules sont mesurées à différentes distances de l’injecteur à l’aide d’électrodes de détection supraconductrices (rose). Il a été constaté que près de l’injecteur (au niveau du détecteur le plus à gauche), les quasiparticules de spin up et spin down peuvent avoir différentes fonctions de distribution en énergie.

Référence :
M Kuzmanović, BY Wu, M Weideneder, CHL Quay & M Aprili. Evidence for spin-dependent energy transport in a superconductor. Nature Communications 11, 4336 (2020).