La recherche quantique sur les supraconducteurs vise à développer des technologies révolutionnaires pour l’informatique et la communication. Elle se concentre sur la création de qubits supraconducteurs, éléments fondamentaux des ordinateurs quantiques, qui permettent des calculs exponentiellement plus rapides que les ordinateurs classiques.
Cette recherche étudie également de nouveaux matériaux supraconducteurs pour améliorer les performances des qubits, réduire les pertes d’énergie et augmenter la cohérence quantique. En outre, elle contribue au développement de capteurs ultrasensibles, à l’amélioration de la distribution d’électricité et à l’exploration de nouveaux phénomènes physiques fondamentaux
Or l’on apprend que des chercheurs français viennent de mettre en lumière un phénomène quantique exceptionnel dans des supraconducteurs d’oxyde d’indium, offrant des perspectives inédites pour l’avenir des matériaux quantiques.
Leur étude révèle que les supraconducteurs d’oxyde d’indium très désordonnés subissent une transition de phase quantique du premier ordre. Ce type de transition, caractérisé par un changement soudain, est extrêmement rare dans les supraconducteurs, qui connaissent généralement des transitions graduelles du second ordre.
La rigidité superfluide en question
La rigidité superfluide, qui mesure la résistance d’un état supraconducteur aux changements de phase, joue un rôle crucial dans la compréhension de la supraconductivité et de ses défaillances lors des transitions de phase. Contrairement à ce que l’on observe habituellement, l’étude a montré une chute inattendue et abrupte de la rigidité superfluide dans les films d’oxyde d’indium.
Pour explorer les propriétés internes de ces matériaux, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie par micro-ondes. Cette méthode leur a permis de mesurer avec précision la rigidité superfluide, observant une chute surprenante et prononcée plutôt qu’un changement graduel.
L’étude a également révélé un comportement inhabituel des paires de Cooper, des paires d’électrons qui facilitent la supraconductivité. L’introduction de désordre dans le matériau a modifié la manière dont ces paires interagissent, menant à un conflit entre l’état supraconducteur et un nouvel état isolant appelé verre de paires de Cooper isolantes.
Enfin les auteurs de l’étude ont découvert que la température critique à laquelle les films perdent leur capacité supraconductrice n’est plus déterminée par l’amplitude du couplage des électrons mais plutôt par la rigidité superfluide elle-même. Cela indique que le matériau entre dans un régime de pseudogap, un état spécial où les paires d’électrons se forment mais ne se coordonnent pas pour maintenir la supraconductivité.
Cette transition rare et les nouvelles connaissances sur la rigidité superfluide et le régime de pseudogap ouvrent des perspectives prometteuses pour la conception de nouveaux matériaux quantiques, particulièrement dans les supraconducteurs à haute température, cruciaux pour les technologies quantiques.
Référence
Guillaume AIGRON Date: 5 janvier 2025
First-order quantum breakdown of superconductivity in an amorphous superconductor
- Thibault Charpentier,
- David Perconte,
- Sébastien Léger,
- Kazi Rafsanjani Amin,
- Florent Blondelle,
- Frédéric Gay,
- Olivier Buisson,
- Lev Ioffe,
- Anton Khvalyuk,
- Igor Poboiko,
- Mikhail Feigel’man,
- Nicolas Roch &
- Benjamin Sacépé
Nature Physics (2025)
- Abstract
Continuous quantum phase transitions are widely assumed and frequently observed in various systems of quantum particles or spins. Their characteristic trait is a second-order, gradual suppression of the order parameter as the quantum critical point is approached. The localization of Cooper pairs in disordered superconductors and the resulting breakdown of superconductivity have long stood as a prototypical example. Here we show a departure from this paradigm, in which a discontinuous first-order quantum phase transition is tuned by disorder. We measure the plasmon spectrum in superconducting microwave resonators on amorphous superconducting films of indium oxide to provide evidence for a marked jump in both the zero-temperature superfluid stiffness and the transition temperature at the critical disorder. This discontinuous transition sheds light on the role of repulsive interactions between Cooper pairs and the subsequent competition between superconductivity and insulating Cooper-pair glass. Furthermore, we show that the critical temperature of the films no longer relates to the pairing amplitude but aligns with the superfluid stiffness, consistent with the pseudogap regime of preformed Cooper pairs. Our findings raise fundamental new questions about the role of disorder in quantum phase transitions and carry implications for superinductances in quantum circuits.
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