Supraconductivité activée par un champ magnétique

A très basses températures, le matériau CeCoIn₅ est supraconducteur. En présence de forts champs magnétiques (dans le cas de ce matériau au-delà de 12 Tesla), la supraconductivité est brisée, comme le prévoit la théorie. Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer ont démontré qu’avant que la supraconductivité ne soit brisée, un nouvel état exotique apparaissait. Tant que cet état exotique existe, on observe, en plus de la supraconductivité, un ordre antiferromagnétique : les moments magnétiques (les « aimants élémentaires ») au cœur du matériau pointent régulièrement tantôt selon une direction, tantôt selon la direction opposée. Des arguments de symétrie appellent alors à la conclusion suivante : cet ordre magnétique doit être relié à un nouveau type d’état quantique, qui n’avait toutefois encore jamais pu être observé directement.

Deux types simultanés de supraconductivité

Les chercheurs du PSI ont étudié les propriétés de cet ordre antiferromagnétique, et conclu que ce nouveau type d’état quantique se formait à partir d’un état supraconducteur différent et indépendant de celui observé à bas champ. La supraconductivité apparaît lorsque les électrons se couplent, pour former ce que l’on appelle des paires de Cooper, capables de se déplacer sans entrave dans un matériau. Il existe plusieurs types de supraconductivité, qui se distinguent les unes des autres notamment au niveau des propriétés de symétrie des paires de Cooper. Dans le matériau étudié ici, un nouvel état supraconducteur vient s’ajouter à celui qui déjà présent. En termes spécialisés, on observe d’abord une supraconductivité de fonction d’onde de type d, à laquelle, dans l’état exotique, vient s’ajouter une supraconductivité de type p.

Démonstration avec des neutrons

L’ordre antiferromagnétique dans le matériau a été mis en évidence grâce à des expériences réalisées avec des neutrons, à la fois sur la source de neutrons SINQ du PSI et à l’Institut Laue-Langevin à Grenoble. Lors d’expériences de ce genre, on fait passer un faisceau de neutrons au travers du matériau à étudier, et on observe dans quelles directions les neutrons sont particulièrement nombreux à être déviés. A partir de là, il est possible de conclure quant à l’existence de structures régulières au cœur du matériau. Dans le cas présent, avec des champs magnétiques élevés, les neutrons ont été nombreux à être déviés dans de nouvelles directions : celles caractéristiques d’un ordre antiferromagnétique. Concrètement, c’est une onde de densité de spin qui a été observée. Cela signifie que lorsqu’on se déplace à travers le matériau dans une direction donnée, les moments magnétiques pointent d’abord selon une direction avec une certaine amplitude. Ensuite, cette amplitude augmente, puis diminue à nouveau, avant que les moments pointent selon la direction opposée, augmentent en amplitude, puis diminuent à nouveau. Si on représente les moments par des flèches, les pointes de ces dernières peuvent être reliées entre elles par une ligne ondulée.

Les ondes de densité de spin dans ce matériau ne peuvent adopter que deux directions particulières perpendiculaires entre elles : elles ne peuvent donc apparaître que dans deux domaines différents. La direction qu’adopte l’onde de densité de spin dépend de la direction du champ magnétique extérieur. Si on modifie la direction du champ magnétique appliqué, celle de l’onde de densité de spin change brusquement, elle aussi. Pour démontrer cet effet, les chercheurs ont construit un porte-échantillon spécial, qui permettait, entre deux mesures, de tourner l’échantillon d’un angle très petit par rapport au champ.

Etat quantique contrôlé

« Le comportement observé du matériau était complètement inattendu, et il ne peut pas s’agir d’un effet purement magnétique, explique Michel Kenzelmann, chef du groupe de recherche au PSI. Cela indique clairement que, dans le matériau, le nouvel état supraconducteur apparaît avec l’onde de densité de spin, comme le prévoient d’ailleurs des considérations de symétrie. » L’aspect particulier de cet état réside dans le fait qu’il dépend étroitement de l’ordre magnétique : lorsque les moments magnétiques sont forts, la supraconductivité de type p est particulièrement présente. Ils se renforcent donc tous les deux lorsqu’on augmente le champ magnétique extérieur. En d’autres termes, il est possible de contrôler directement l’état quantique lié à la supraconductivité, au moyen d’un champ magnétique appliqué. La possibilité de contrôler directement les états quantiques est cruciale pour permettre l’avènement des futurs ordinateurs quantiques. « Au vu des basses températures et de la puissance des champs magnétiques qui sont nécessaires, ce matériau particulier ne sera probablement jamais utilisé, ajoute Simon Gerber, premier auteur de la publication. Mais nos expériences montrent à quoi un tel contrôle pourrait fondamentalement ressembler. »

Text : Paul Piwnicki

À propos du PSI

L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à disposition de la communauté nationale et internationale. Les principales recherches de l’Institut sont centrées dans le domaine matière et matériaux, energie et environnement, santé. Avec 1500 collaborateurs et un budget annuel d’environ 300 millions CHF, le PSI est le plus grand centre de recherche de Suisse.