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Un bond en avant vers les diodes supraconductrices

Des chercheurs ont trouvé un moyen de former des diodes à partir de supraconducteurs. Fonctionnant à des températures beaucoup plus basses que les diodes à semi-conducteurs, ces nouveaux dispositifs pourraient être utilisés dans les technologies quantiques.

Recherche fondamentale

Une équipe internationale de chercheurs a montré comment une hétérostructure composée de supraconducteurs et d’aimants peut être utilisée pour créer un courant qui ne circule que dans un sens, comme celui que l’on trouve dans les diodes à semi-conducteurs. Dans leur étude soutenue par les projets SUPERTED, TERASEC, SuperGate et SuperCONtacts financés par l’UE, les scientifiques ont démontré que les nouvelles diodes supraconductrices fonctionnent à des températures nettement inférieures à celles de leurs homologues à semi-conducteurs, ce qui les rend utiles pour une application dans les technologies quantiques. Les diodes sont des composants électroniques qui permettent à un courant électrique de circuler uniquement dans un sens, tout en le bloquant dans le sens inverse. On les trouve dans de nombreux dispositifs contemporains, comme les récepteurs radio, les capteurs de température et les cellules photovoltaïques. Ces diodes reposent sur les propriétés électroniques des systèmes semi-conducteurs. Toutefois, en raison de leur écart énergétique élevé, les semi-conducteurs ne fonctionnent pas aux températures sub-Kelvin extrêmement basses requises pour l’électronique cryogénique et la détection ultrasensible, en d’autres termes, pour les technologies quantiques de demain. L’écart énergétique d’un semi-conducteur désigne l’énergie minimale requise pour exciter un électron bloqué dans son état lié (c’est-à-dire lié à un atome) dans un état libre, afin qu’il puisse conduire un courant électrique. Par rapport aux semi-conducteurs, les supraconducteurs présentent un écart énergétique plus faible. Cette caractéristique, ainsi que leur faible impédance intrinsèque, font des supraconducteurs des candidats idéaux pour les diodes cryogéniques.

Briser la symétrie

Toutefois, comme l’indique un article publié sur «Mirage News», alors que les scientifiques connaissent l’existence d’un tel écart depuis des décennies, ils n’avaient pas encore observé «la caractéristique de type diode». En effet, pour créer une diode supraconductrice, il faut briser ce que l’on appelle la symétrie électron-trou: la symétrie habituellement robuste qui caractérise les caractéristiques courant-tension du contact métallique du supraconducteur. Les chercheurs démontrent à présent comment cette symétrie peut être brisée à l’aide d’un isolant ferromagnétique placé de manière appropriée dans la jonction. Cela ouvre la voie à des technologies quantiques basées sur des matériaux supraconducteurs fonctionnant à des températures ultra-basses. «Je pense que cette découverte est prometteuse pour plusieurs tâches de la technologie quantique, comme la rectification ou la limitation du courant», observe l’auteur principal de l’étude, le Dr Francesco Giazotto, hôte et coordinateur des projets TERASEC et SuperCONtacts et partenaire des projets SUPERTED et SuperGate du Conseil national de la recherche (CNR), en Italie. Francesco Giazotto est chercheur à l’Istituto Nanoscienze (NANO) du CNR. Le Dr Elia Strambini, auteur principal, également du CNR NANO, décrit la découverte de la fonctionnalité de la diode comme «une agréable surprise, une conséquence de la caractérisation approfondie des échantillons SUPERTED». C’est le chercheur qui a fait la découverte initiale. «Cette découverte a montré le pouvoir de la collaboration entre différents types de chercheurs, de la science des matériaux à l’électronique supraconductrice, en passant par la théorie», remarque le professeur Tero Heikkilä, coauteur, rattaché à l’université de Jyväskylä, en Finlande, l’hôte du projet SUPERTED (Thermoelectric detector based on superconductor-ferromagnet heterostructures). «L’absence de soutien européen aurait empêché une telle collaboration.» Bien que principalement soutenue par SUPERTED, la recherche a également été partiellement financée par les projets TERASEC (THz imaging technology for public security), SuperGate (Gate Tuneable Superconducting Quantum Electronics.) et SuperCONtacts (Solid state diffusion for atomically sharp interfaces in semiconductor-superconductor hybrid structures). L’étude a été publiée dans la revue «Nature Communications». Pour plus d’informations, veuillez consulter: site web du projet SUPERTED projet TERASEC projet SuperGate projet SuperCONtacts

Mots‑clés

SUPERTED, TERASEC, SuperGate, SuperCONtacts, supraconducteur, diode, quantique, semi-conducteur, courant

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