Dans les matériaux supraconducteurs, un courant électrique circule sans aucune résistance. Il existe de nombreuses applications pratiques de ce phénomène ; cependant, de nombreuses questions fondamentales restent encore sans réponse. Le professeur agrégé Justin Ye, chef du groupe Physique des matériaux complexes à l'Université de Groningue, a étudié la supraconductivité dans une double couche de bisulfure de molybdène et a découvert de nouveaux états supraconducteurs. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Nanotechnology le 4 novembre.

La supraconductivité a été démontrée dans des cristaux monocouches, par exemple de bisulfure de molybdène ou de disulfure de tungstène, qui ont une épaisseur de seulement trois atomes. "Dans les deux monocouches, il existe un type particulier de supraconductivité dans lequel un champ magnétique interne protège l'état supraconducteur des champs magnétiques externes", explique Ye. La supraconductivité normale disparaît lorsqu'un grand champ magnétique externe est appliqué, mais cette supraconductivité d'Ising est fortement protégée. Même dans le champ magnétique statique le plus puissant d’Europe, d’une intensité de 37 Tesla, la supraconductivité du bisulfure de tungstène ne montre aucun changement. Cependant, même s’il est formidable de disposer d’une protection aussi solide, le prochain défi consiste à trouver un moyen de contrôler cet effet protecteur en appliquant un champ électrique.

Nouveaux états supraconducteurs

Ye et ses collaborateurs ont étudié une double couche de bisulfure de molybdène : « Dans cette configuration, l'interaction entre les deux couches crée de nouveaux états supraconducteurs. » Vous avez créé une double couche suspendue, avec un liquide ionique des deux côtés qui peut être utilisé pour créer un champ électrique à travers la bicouche. « Dans la monocouche individuelle, un tel champ sera asymétrique, avec des ions positifs d'un côté et des charges négatives induites de l'autre. Cependant, dans la bicouche, nous pouvons avoir la même quantité de charge induite au niveau des deux monocouches, créant ainsi un système symétrique », explique Ye. Le champ électrique ainsi créé pourrait être utilisé pour activer et désactiver la supraconductivité. Cela signifie qu’un transistor supraconducteur a été créé et pourrait être déclenché à travers le liquide ionique.

Dans la double couche, la protection Ising contre les champs magnétiques externes disparaît. "Cela se produit en raison de changements dans l'interaction entre les deux couches." Cependant, le champ électrique peut restaurer la protection. "Le niveau de protection dépend de la force avec laquelle vous bloquez l'appareil."

Paires de tonneliers

Outre la création d’un transistor supraconducteur, Ye et ses collègues ont fait une autre observation intrigante. En 1964, on prévoyait l’existence d’un état supraconducteur spécial, appelé état FFLO (du nom des scientifiques qui l’ont prédit : Fulde, Ferrell, Larkin et Ovchinnikov). En supraconductivité, les électrons se déplacent par paires dans des directions opposées. Puisqu’elles se déplacent à la même vitesse, ces paires de Cooper ont un moment cinétique total nul. Mais dans l’état FFLO, il existe une petite différence de vitesse et donc le moment cinétique n’est pas nul. Jusqu’à présent, cet état n’a jamais été correctement étudié expérimentalement.

« Nous avons rempli presque toutes les conditions préalables pour préparer l'état FFLO dans notre appareil », explique Ye. « Mais l’État est très fragile et est fortement affecté par les contaminations à la surface de notre matériel. Nous devrons donc répéter les expériences avec des échantillons plus propres.

Avec la bicouche suspendue de bisulfure de molybdène, Ye et ses collaborateurs disposent de tous les ingrédients nécessaires pour étudier certains états supraconducteurs spéciaux. « Il s’agit d’une science véritablement fondamentale qui pourrait nous apporter des changements conceptuels. »