Dans un matériau supraconducteur à l’état fondamental, les électrons forment des paires dites de Cooper. Mais, plusieurs effets parasites, initiés par la température, un champ électro-magnétique, ou un photon incident, peuvent rompre ces paires et libérer les électrons qui redeviennent célibataires. La présence de ces électrons libres, ou quasi-particules, est le signe d’un affaiblissement des propriétés supraconductrices : cela peut nuire au bon fonctionnement de circuits supraconducteurs tels, que les Qbits ; ou au contraire, ces effets sont mis à profit pour réaliser un détecteur de photons.
Schéma du dispositif expérimental : le nanofil de niobium occupe le centre de l’image (cadre rouge). La pointe du microscope STM (triangle bleu) permet d’injecter un faible courant électrique par effet tunnel (ainsi appelé car la pointe ne touche pas le nanofil). Simultanément, un détecteur mesure le courant critique du nanofil. Credit CEA
Les chercheurs de l’Irig ont étudié la dynamique de formation des quasi-particules grâce à un dispositif plongeant un microscope à effet tunnel (STM) à température très proche du zéro absolu (0.050 K). La pointe fine du STM permet d’injecter des électrons dans le nanofil supraconducteur, en contrôlant très précisément leur énergie électrique par la tension, et leur flux par le courant tunnel. Chaque électron injecté cède son énergie au nanofil, par interaction coulombienne directe avec les autres électrons liés par paires de Cooper, ou bien par l’intermédiaire d’un phonon, c’est-à-dire une vibration du réseau atomique.
Chaque paire de Cooper brisée libère ses deux quasi-particules très énergétiques qui vont à leur tour briser d’autres paires de Cooper. Cette cascade conduit à la formation d’un nuage de quasi-particules, constituant ainsi un point chaud qui peut limiter le courant critique du matériau supraconducteur, et donc réduire sa capacité à transporter le courant sans perte et sans dissipation, la supraconductivité.
Les chercheurs ont réussi à observer l’injection de quasi-particules dans un nanofil de niobium (300 nm de large et de 2 µm de long) en mesurant le courant critique du nanofil (quelques 100 µA) fortement réduit par le courant tunnel, pourtant
un million de fois plus faible, des électrons injectés. Cet affaiblissement est proportionnel au produit du courant tunnel multiplié par l’énergie des électrons injectés. Il est dû à un effet de chauffage classiquement décrit par un modèle thermique.
De plus, en examinant de petits écarts au modèle thermique mesurés pour différentes valeurs du courant tunnel, les chercheurs ont modélisé la dynamique de formation du nuage de quasi-particules : ils ont pu déterminer un temps de relaxation de l’énergie de ces électrons libres de l’ordre de 40 ps.
Ces résultats fondamentaux permettront d’optimiser les performances des détecteurs de photons, ou de protéger les Qbits de l’empoisonnement par ces quasi-particules.
Mesure du courant critique en fonction de la tension d’injection pour différents courants tunnel. Le trait horizontal en pointillés indique la valeur du courant critique sans quasi-particules injectées.