La création de nanostructures supraconductrices 3D permet de contrôler localement l’état supraconducteur

Le passage de deux à trois dimensions peut avoir un impact significatif sur le comportement d’un système, qu’il s’agisse de plier une feuille de papier pour en faire un avion en papier ou de tordre un fil pour en faire un ressort hélicoïdal. À l’échelle nanométrique, mille fois plus petite qu’un cheveu humain, on s’approche des échelles de longueur fondamentales, par exemple des matériaux quantiques.

À ces échelles de longueur, le modelage des nanogéométries peut conduire à des changements dans les propriétés du matériau lui-même – et lorsque l’on passe à trois dimensions, il existe de nouvelles façons d’adapter les fonctionnalités, en brisant les symétries, en introduisant une courbure et en créant des canaux interconnectés.

Malgré ces perspectives, l’un des principaux défis reste à relever : comment réaliser des géométries 3D aussi complexes, à l’échelle nanométrique, dans des matériaux quantiques ?

Dans une nouvelle étude, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l’Institut Max Planck de physique chimique des solides a créé des nanostructures supraconductrices tridimensionnelles à l’aide d’une technique similaire à une imprimante nano-3D. Ils sont parvenus à contrôler localement l’état supraconducteur d’un pont supraconducteur en 3D et ont même pu démontrer le mouvement de vortex supraconducteurs – des défauts nanométriques dans l’état supraconducteur – en trois dimensions.

Les supraconducteurs sont des matériaux réputés pour leur capacité à présenter une résistance électrique nulle et à chasser les champs magnétiques. Ce comportement résulte de la formation de ce que l’on appelle les paires de Cooper : des paires d’électrons liés qui se déplacent de manière cohérente dans le matériau sans se disperser.

« L’un des principaux défis consiste à contrôler cet état supraconducteur à l’échelle nanométrique, ce qui est essentiel pour l’exploration de nouveaux effets et le développement futur de dispositifs technologiques », indique Elina Zhakina, chercheuse postdoctorale à l’Institut Max Planck de physique chimique des solides.

En modelant des supraconducteurs dans des nanogéométries 3D, l’équipe internationale, composée de chercheurs allemands et autrichiens, a pu contrôler localement l’état supraconducteur, c’est-à-dire « désactiver » la supraconductivité dans différentes parties de la nanostructure. Cette coexistence d’états supraconducteurs et « normaux » peut conduire à des effets de mécanique quantique, tels que les « liens faibles », utilisés par exemple pour la détection ultrasensible. Cependant, jusqu’à présent, un tel contrôle nécessitait généralement la conception de structures, par exemple dans des couches minces planaires, où la coexistence des états était prédéterminée.

« Nous avons découvert qu’il est possible d’activer et de désactiver l’état supraconducteur dans différentes parties de la nanostructure tridimensionnelle, simplement en faisant tourner la structure dans un champ magnétique », a déclaré Claire Donnelly, chef du groupe Lise Meitner à l’Institut Max Planck de physique chimique des solides. « De cette manière, nous avons pu réaliser un dispositif supraconducteur reconfigurable »

Cette réalisation d’une fonctionnalité reconfigurable offre une nouvelle plateforme pour la construction de composants supraconducteurs adaptatifs ou polyvalents. Avec la capacité de propager des défauts de l’état supraconducteur, elle ouvre la voie à une logique supraconductrice complexe et à des architectures neuromorphiques qui ouvrent la voie à une nouvelle génération de technologies supraconductrices reconfigurables.

Source : Max plank institute