Quand les supraconducteurs et le graphène se rencontrent

Des scientifiques ont mis au point un spectromètre particulièrement efficace, et démontré ses capacités en étudiant la physique de quasi-particules dans des supraconducteurs. Leur technique est idéale pour détecter des excitations élémentaires dans des systèmes mésoscopiques comme le graphène.

Technologies industrielles

La physique mésoscopique permet de d'étudier la mécanique quantique dans des conditions contrôlées. Il est difficile de réaliser des systèmes à l'échelle atomique, par contre il est relativement aisé de fabriquer des systèmes mésoscopiques pour qu'ils aient des états quantiques bien définis à des températures très basses. C'est le cas de dispositifs en graphène, d'aimants monomoléculaires, de nanofils, de points quantiques de nanotubes de carbones, et de liaisons supraconductrices faibles. Le projet DIRACOOPER («Interaction of Cooper pairs and massless Dirac fermions in suspended superconductor-graphene devices»), financé par l'UE, a été lancé pour étudier les états quantiques formés dans une jonction graphène-supraconducteur. Au passage, les chercheurs ont mis au point une solide technique de spectroscopie exploitant la supraconductivité. Les systèmes mésoscopiques présentent une large gamme d'énergies de transition intéressantes, mais l'expérimentateur est souvent limité à une fréquence d'échantillonnage inférieure à 20 GHz. À plus haute fréquence, il devient trop difficile et coûteux d'assurer la propagation et la détection des micro-ondes dans un cryostat. Depuis les infrarouges lointains jusqu'au début de la plage des THz, le couplage de l'espace libre est rendu difficile par l'écart entre la longueur d'onde des photons et la taille des structures d'échelle nanométrique ou micrométrique. L'équipe a proposé et fabriqué un spectromètre sur puce basé sur une jonction Josephson, s'affranchissant de ces contraintes et permettant d'étudier les propriétés électroniques de systèmes mésoscopiques, de 2 GHz jusqu'à 2 THz. Ce spectromètre donne accès à une gamme de fréquences hors de portée des méthodes classiques par optique ou micro-ondes. Il devrait avoir une largeur d'émission comparable à celles des meilleures sources, une sensibilité équivalente à celles des meilleurs détecteurs, et permettre de coupler des systèmes mésoscopiques sur puce, de manière uniforme pour toute la bande passante. Cette bande passante et ce couplage permettent de suivre les transitions induites par un facteur externe, comme le champ électrique pour le graphène ou le champ magnétique pour des circuits supraconducteurs. Cette nouvelle technique a été pour la première fois appliquée à l'étude de paires de Cooper dans des supraconduccteurs. La mesure des excitations de paires d'Andreev dans des contacts atomiques supraconducteurs, et la mise au point et l'utilisation d'une deuxième technique de spectroscopie, ont conduit à des publications dans de prestigieuses revues à comité de lecture. Dernièrement, les chercheurs ont travaillé à la réalisation d'une deuxième génération de spectromètre à jonction Josephson, et à la manipulation de paires d'Andreev. Ils ont maintenant obtenu un échantillon de graphène de haute qualité, pour l'étudier à l'aide du spectromètre à jonction Josephson. Ce travail de pionnier s'est traduit par un nouvel outil puissant pour la recherche physique à l'échelle mésoscopique, éclaircissant les excitations Andreev et contribuant à lancer la carrière prometteuse du boursier Marie Curie.