Une publication dans Nanoscale

Joindre les deux bouts


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Symbole électrique d'une jonction Josephson

Des recherches menées par Joseph Lombardo, doctorant au laboratoire de Physique Expérimentale de Matériaux Nanostructurés sous la direction du Pr Alejandro Silhanek, en collaboration avec des chercheurs de la K.U. Leuven, UAntwerp et l’Université Grenoble-Alpes, ont permis de mettre en évidence une nouvelle méthode de fabrication de jonctions Josephson nanoscopiques de façon plus simple, plus pratique, peu onéreuse et permettant d’obtenir un contrôle de leurs propriétés après leur fabrication. Ces résultats ont fait l’objet d’une publication dans Nanoscale (1).

L

es matériaux supraconducteurs conventionnels sont le siège de nombreux phénomènes physiques aussi curieux les uns que les autres. Leur première propriété de base est de perdre toute résistance électrique en-dessous d’une température dite « critique » se situant aux environs de -273°C (proche du zéro absolu). Autrement dit, en-dessous de cette température, un supraconducteur transporte un courant électrique sans aucune perte d’énergie. Cette propriété le rend extrêmement attrayant du point de vue technologique, bien que pour l’exploiter, il est nécessaire de faire appel à des systèmes de refroidissement complexes.  La seconde propriété de base des supraconducteurs est d’expulser tout champ magnétique, ce qui induit que le champ magnétique à l’intérieur d’un supraconducteur est en permanence nul. Cette propriété donne lieu à un phénomène physique assez spectaculaire : la lévitation quantique. Celui-ci nous renvoie à l’image familière que nous avons du futur et qui est véhiculée par la science-fiction, dans le sens où ce phénomène  permet de faire léviter un aimant au-dessus d’un supraconducteur, un peu comme l’hoverboard de Marty McFly dans le film Retour vers le Futur.

Les jonctions Josephson sont, quant à elles, issues des travaux du Prof. Brian D. Josephson qui, en 1962,  s’interrogeait sur le comportement que pourraient avoir deux supraconducteurs séparés par une barrière isolante. Ce physicien britannique va non seulement découvrir que dans ces conditions, un « super » courant électrique peut passer d’un supraconducteur à l’autre sans perdre d’énergie, mais qu’en plus ce courant est très sensible au champ magnétique extérieur. Cette découverte lui vaudra le prix Nobel de physique en 1973 et sera à la base de la définition moderne du « Volt », l’unité de mesure du potentiel électrique, ainsi que de la naissance des détecteurs de champ magnétique et de température les plus sensibles de notre époque appelés « SQUID’s » (de l’anglais « Superconducting Quantum Interference Devices »).

Depuis, de nombreux scientifiques se sont intéressés à la fabrication de jonctions Josephson. Souvent, les méthodes actuelles les plus avancées permettent de définir de telles jonctions à des tailles de l’ordre de plusieurs dizaines de nanomètres, mais celles-ci s’avèrent souvent complexes et nécessitent un grand investissement en termes de temps mais aussi de coût. De plus, une fois fabriquées, les propriétés de ces jonctions sont fixées et ne peuvent par conséquent plus être adaptées.

Les chercheurs du Laboratoire de Physique Expérimentale des Matériaux Nanostructurés de l’ULiège se sont intéressés à cette problématique et viennent de mettre au point un nouveau procédé pour fabriquer ce type de jonction supraconductrice. « Nous avons développé  une méthode qui permet une fabrication plus simple, plus pratique et moins onéreuse, explique Joseph Lombardo. Cette nouvelle technique est de plus assez novatrice dans la mesure où elle nous permet également d’obtenir un contrôle des propriétés des jonctions après leur fabrication». La fabrication et l’étude de ces jonctions sont importantes car celles-ci sont également susceptibles d’être à la base du développement des futurs ordinateurs quantiques où elles pourraient jouer le rôle de « bits quantique », c’est-à-dire l’unité fondamentale de stockage de ce type d’ordinateur dont le développement est un sujet majeur de la physique contemporaine.

« Le principe de base consiste à fabriquer des nanofils supraconducteurs en niobium en utilisant au départ une méthode très classique et facilement reproductible, explique  Joseph Lombardo. Ces nanofils ont la particularité d’avoir une forme en « noeud-papillon » qui permet de concentrer le courant électrique au centre de celui-ci. » Lorsque le courant atteint une valeur suffisamment élevée, il modifie la structure du matériau au centre du nanofil, et donc également ses propriétés supraconductrices. « On assiste notamment à une diminution de la température critique dans la région centrale du nanofil, reprend le jeune chercheur. La diminution de la température critique  est telle que le centre de la jonction agit comme une barrière normale entre les deux parties externes du nanofil supraconducteur ».

LOMBARDO Josephson Junctions

Modification du centre d’un nanofils de niobium et apparition des propriétés relatives aux jonctions Josephson.

En examinant par la suite le comportement du courant au travers du nanofil modifié en fonction du champ magnétique extérieur, les chercheurs ont pu mettre en évidence les traits caractéristiques d’une jonction supraconductrice. Augmenter le courant traversant le nanofil permet de changer la réponse du courant au champ magnétique, démontrant le caractère ajustable post-nanofabrication de la jonction.

Ces recherches ajoutent une pierre à l’édifice de la nanotechnologie. Forte de ce succès pour la fabrication de jonctions Josephson, l’équipe du Prof. Silhanek s’attèle à présent à la fabrication d’un SQUID sur base de cette méthode, qui contribuera certainement à rendre ces dispositifs plus accessibles.

Référence scientifique

(1) J. Lombardo et al., In situ tailoring of superconducting junctions via electro-annealing, Nanoscale, 2018, 10, 1987-1996

Contact

Laboratoire de Physique Expérimentale des Matériaux Nanostructurés  I Unité de recherche CESAM

Joseph LOMBARDO - J.Lombardo@uliege.be

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