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 T
c. 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 des chercheurs du laboratoire Photonique Electronique et Ingénierie Quantiques de l’Irig ont 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 «
Cohérence supraconductrice et désordre »). En revanche pour des conductances supérieures au quantum de conductance (2 e
2/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.
Une transition de phase quantique est une transition de phase entre différents états quantiques. Contrairement aux transitions de phase classiques, les transitions de phase quantique ne sont accessibles que par la variation d'un paramètre physique tel que le champ magnétique ou la pression à une température proche du zéro absolu.