Quel est le rôle du modèle de transmission dans la dynamique des courants persistants dans les anneaux supraconducteurs?

Dans le cadre de la compréhension des oscillations de résistance magnétique (MRO) dans les systèmes supraconducteurs multiconnectés, le modèle de transmission des courants persistants (STM) a été proposé pour la première fois en 2019 par Papari et Fomin. Ce modèle visait à aborder les phénomènes de conservation des courants et à expliquer la contribution parabolique en arrière-plan de ces oscillations. Cependant, il est primordial de se concentrer sur la composante sinusoïdale des MRO, car elle recèle des informations essentielles sur la dynamique des courants persistants dans les anneaux supraconducteurs.

Deuxièmement, la structure des fils formant les anneaux supraconducteurs est particulièrement étroite, ce qui induit une condition géométrique favorable à la suppression de l’apparition des vortex. En effet, l’inégalité Hw ≫ ∆HΦ0 empêche la nucléation de vortex dans les canaux minuscules formés par ces fils, et ce, même sous l'effet d'un champ magnétique modéré. Ces considérations permettent de simplifier le modèle et d’affirmer que la densité des courants persistants (CP) reste constante, ns = const, indépendamment du champ magnétique, et exclut la contribution des vortex dans la dynamique observée des MRO.

Dans ce contexte, la vitesse des CP est également cruciale. Contrairement aux modèles traditionnels où la vitesse des CP dépend du champ magnétique, dans le STM, il est supposé que cette vitesse soit constante, ce qui simplifie davantage l’analyse. Cette approche est justifiée par le fait que la distribution de la vitesse des CP sur un anneau bidimensionnel peut être calculée en tenant compte de la conservation des courants, une notion centrale dans la physique des transports quantiques. Le modèle prédit que la densité de courant superconducteur totale peut être décomposée en deux contributions : une paramagnétique (Jp) et une diamagnétique (Jd), qui sont respectivement liées à des zones internes et externes de l'anneau. Ces courants persistants modulent la phase de l'ordonnateur du système, un élément clé pour comprendre la dynamique de transport des courants dans les structures supraconductrices.

Cependant, ce modèle ne permet pas de rendre compte de la résistance observée dans les oscillations de résistance magnétique. En effet, à proximité de la température critique Tc, des fluctuations thermiques provoquent une rupture de la cohérence de phase des courants persistants, ce qui engendre la génération de quasi-particules (QPs) et leur interaction avec les courants superconductor. Les QPs, responsables de la résistance observée, peuvent être considérées comme des "courants incohérents", tandis que les CP demeurent "cohérents". Cette rupture de phase favorise la perte de cohérence de l'état supraconducteur et transforme une partie de l'échantillon en un état normal, où les QPs dominent.

Il est essentiel de comprendre que, bien que le modèle STM fournisse une explication détaillée de la dynamique des courants persistants dans les anneaux supraconducteurs, il ne résout pas entièrement la question de l'origine de la résistance dans ces systèmes. La résistance observée résulte de phénomènes complexes, où la rupture de phase des CP et l’émergence des QPs sont les acteurs principaux, mais les détails de ces processus nécessitent encore des recherches plus approfondies pour une compréhension complète des MRO dans des échantillons supraconducteurs multiconnectés.

Comment le rapport d'épaisseur à largeur des cavités Möbius influence la phase de Berry et la polarisation elliptique de la lumière résonante

Dans une cavité de type Möbius, la variation de l'épaisseur d'une couche diélectrique a une influence directe sur ses propriétés optiques. Lorsque l'épaisseur $T$ d'un film mince diélectrique devient suffisamment petite par rapport à la longueur d'onde de la lumière, l'effet de confinement du champ optique dans le guide d'ondes est optimal. Cette condition permet une propagation de la lumière avec une orientation stricte du champ électrique le long de la cavité. Cependant, en pratique, l'épaisseur $T$ ne peut être réduite indéfiniment en raison des exigences liées à la conservation de l'énergie lumineuse et à la minimisation des pertes optiques. Lorsque $T$ devient comparable à la largeur $W$ de la cavité, le confinement du champ électrique n'est plus strictement limité au plan de la cavité.

Dans ce cas, une interaction complexe entre la géométrie de la cavité et les propriétés électromagnétiques de la lumière apparaît. L'orientation du champ électrique subit une déviation : d'une part, en raison de l'inertie électromagnétique, le champ tente de conserver son orientation au cours de la propagation, mais d'autre part, la géométrie torsadée de la cavité impose une rotation du champ le long de la structure. Cette déviation engendre des composantes du champ à la fois parallèles et perpendiculaires au plan de la cavité, donnant naissance à une polarisation elliptique.

La lumière résonante dans une cavité Möbius subit également un déphasage particulier dû à la phase de Berry, un effet topologique qui se manifeste lorsque le champ optique acquiert une "mémoire" de sa trajectoire dans l'espace de phase. Ce phénomène est directement lié à l'ellipticité de la polarisation et se traduit par une évolution circulaire du vecteur de polarisation sur la sphère de Poincaré. Cette évolution montre que l'ellipticité de la lumière résonante peut être modulée en ajustant les dimensions transversales de la cavité.

En laboratoire, l'optimisation de ce phénomène a été réalisée à l'aide de l'écriture laser directe par polymérisation à deux photons. Les images obtenues par microscopie électronique à balayage (MEB) montrent des cavités de type Möbius et de type courbé avec un rapport $T/W$ identique, confirmant ainsi l'impact de la géométrie de la cavité sur les modes résonants.

Il est essentiel de noter que la géométrie de la cavité Möbius, en raison de sa torsion intrinsèque, influence non seulement la polarisation de la lumière mais aussi ses propriétés topologiques. Un rapport $T/W$ plus proche de 1, où la polarisation reste linéaire, élimine l'effet topologique de la phase de Berry. En conséquence, la manipulation de ce rapport dans une plage précise permet de contrôler la phase de Berry et d'explorer les effets topologiques associés à la lumière dans ces structures complexes.

Ce phénomène de phase de Berry dans les microcavités est essentiel pour des applications potentielles dans les domaines de l’optique quantique, des matériaux topologiques et des dispositifs optoélectroniques, où la manipulation de la polarisation et de la phase de la lumière est cruciale. La possibilité d'ajuster finement la polarisation elliptique permet de concevoir des systèmes optiques plus performants et plus sophistiqués.

L'effet Faraday inverse comme mécanisme pour le contrôle optique de l'état des supraconducteurs

Le contrôle précis de la température devient donc un élément fondamental pour assurer la stabilité des processus de commutation dans ces systèmes. Lorsqu'un seul impulsion de radiation est utilisée pour évaluer l'effet thermique, on peut considérer que l'anneau supraconducteur est en contact thermique avec un substrat de saphir de 1 mm d'épaisseur. La capacité thermique du saphir, alliée à sa haute conductivité thermique, permet de dissiper l'énergie de l'impulsion à travers toute l'épaisseur du substrat. Grâce aux capacités thermiques du saphir, l'augmentation de température ne dépasse généralement pas $10^{ -5} \, K$ pour les supraconducteurs en niobium (Nb) ou en supraconducteurs à haute température critique (HTS), assurant ainsi que l'état supraconducteur reste stable. Toutefois, cette température pourrait augmenter de manière significative avec d'autres substrats, ce qui pourrait approcher la température critique $T_c0$. Cela montre à quel point le choix du substrat est crucial pour la réussite de certaines expériences.

Dans ce contexte, le modèle théorique repose sur l'hypothèse d'une constante de relaxation imaginaire ($\eta$) de 0,1, ce qui est un chiffre relativement élevé, caractéristique des supraconducteurs à haute température critique ou des supraconducteurs à base de FeSe, où le rapport $T_c / E_F$ n'est pas très petit. Bien que des valeurs plus faibles de $\eta$ réduisent l'effet inverse de Faraday (IFE), un effet de commutation partiel peut encore être observé dans d'autres matériaux supraconducteurs. Cette robustesse de l'IFE à travers différents matériaux met en lumière son potentiel dans des systèmes supraconducteurs variés. Les chercheurs sont convaincus qu'une démonstration expérimentale de cette commutation fournirait une preuve irréfutable de l'IFE dans les supraconducteurs et représenterait une étape clé vers le développement de dispositifs supraconducteurs pilotés par la lumière.

Un anneau supraconducteur peut être utilisé pour réaliser une cellule mémoire qui fonctionne via une radiation polarisée circulairement. L'introduction d'un lien faible (jonction Josephson) à l'intérieur de l'anneau permettrait de créer un système de qubit à flux (rf-SQUID), manipulable via l'IFE. Cette configuration pourrait mener à des composants innovants pour l'informatique quantique, où l'état du qubit pourrait être contrôlé et lu optiquement.

L'interaction entre la supraconductivité et l'hélicité de la lumière ouvre ainsi de nouvelles voies pour le développement de technologies supraconductrices avancées, telles que des dispositifs de mémoire et des composants pour l'informatique quantique. Le passage à une exploration plus approfondie de l'IFE dans un éventail plus large de matériaux supraconducteurs est essentiel pour comprendre ses potentiels et ses limitations. Les futures recherches expérimentales seront décisives pour valider ces modèles et permettre de concrétiser ces concepts dans des dispositifs réels.

Comment les structures annulaires supraconductrices concentriques modulent-elles les instabilités thermomagnétiques ?

En augmentant le champ à 10 mT, on observe une unique avalanche de flux dans la structure double anneau, alors que l’anneau simple manifeste plusieurs avalanches, créant même deux canaux de flux. L’anneau externe agit ainsi comme un tampon, un effet similaire à ce que l’on désigne parfois comme un « trou d’arrêt » qui limite la propagation des avalanches. Ce phénomène témoigne de la capacité de la structure à deux anneaux concentriques à réduire l’intensité et la fréquence des avalanches de flux, tout en améliorant la stabilité thermomagnétique des films supraconducteurs internes, empêchant l’injection de flux vers le cœur du système.

L’étude approfondie de ce système révèle un diagramme des régimes de pénétration magnétique en fonction du rapport des rayons extérieurs des deux anneaux. Lorsque ce rapport augmente, le seuil du champ magnétique à partir duquel l’anneau interne devient instable croît également. Pour des valeurs faibles du rapport, l’anneau interne reste stable jusqu’à ce que le flux pénètre par un canal perforé dans l’anneau externe, déclenchant des avalanches sans connexion entre le trou externe et le trou central. Cependant, au-delà d’un certain seuil (environ 0,52 du rapport des rayons), une dendrite traversante se forme dans l’anneau interne suite à la perforation magnétique de l’anneau externe, phénomène qualifié « d’effet domino ». Cet effet traduit une injection successive du flux magnétique, favorisée par la réduction de l’espace entre les anneaux, qui conduit à une instabilité plus marquée et une pénétration du flux dans le trou central.

Les applications pratiques de ces connaissances s’étendent à de nombreux dispositifs, parmi lesquels les résonateurs supraconducteurs, qui partagent une topologie proche des structures annulaires, avec des conséquences directes sur leurs propriétés de résonance et la qualité de leur facteur Q. La manipulation contrôlée des avalanches magnétiques peut aussi être exploitée dans des interféromètres supraconducteurs à jonction Josephson, ou dans la conception de métamatériaux supraconducteurs où les boucles annulaires jouent un rôle clé dans l’induction de courants oscillants et le contrôle des états quantiques du flux magnétique.

Au-delà de la microélectronique et de la physique appliquée, les anneaux supraconducteurs concentriques trouvent des usages dans la piégeage magnétique d’atomes froids ou dans la simulation de phénomènes cosmologiques comme le scénario de Zurek-Kibble. Des développements récents théorisent également la génération de supercourants induits par des ondes électromagnétiques polarisées circulairement, l’obtention de courants spontanés contrôlés par la chiralité dans des anneaux à couplage spin-orbite, ainsi que des dispositifs de stockage d’informations accessibles électriquement.

La compréhension fine de la pénétration du flux magnétique et des instabilités thermomagnétiques dans ces structures permet d’appréhender la complexité et la richesse des phénomènes supraconducteurs macroscopiques. Cela ouvre des perspectives pour l’ingénierie de dispositifs à haute performance et pour le contrôle dynamique des états supraconducteurs, avec une importance capitale accordée à la géométrie et à l’agencement spatial des composants annulaires.

Il est essentiel de saisir que les phénomènes observés ne sont pas uniquement déterminés par la nature du matériau supraconducteur, mais surtout par la topologie et les dimensions relatives des structures, lesquelles influencent la formation et la propagation des avalanches magnétiques. Ainsi, la maîtrise des espaces inter-anneaux, des seuils de champ magnétique et des mécanismes de perforation magnétique représente un levier crucial pour optimiser la stabilité thermomagnétique, élément indispensable dans la conception de futurs dispositifs supraconducteurs complexes.

Comment se forment et se contrôlent les anneaux quantiques auto-organisés par gravure locale aux gouttes ?

Les structures de type anneaux quantiques (AQ) en semi-conducteurs, sans contrainte de réseau, peuvent être fabriquées selon un procédé d’auto-organisation par gravure locale aux gouttes (local droplet etching, LDE). Cette méthode est parfaitement compatible avec l’épitaxie par jets moléculaires (MBE), une technique de dépôt cristallin couramment utilisée. Le principe fondamental du LDE repose sur le dépôt de gouttes liquides de Gallium (Ga) ou d’Aluminium (Al) sur une surface semi-conductrice, qui ensuite creusent des nanotrous (nanoholes) dans ce substrat. Ces nanotrous sont alors bordés par des parois composées d’arséniures du matériau utilisé dans les gouttes, formant ainsi une configuration géométrique propice à la création d’anneaux quantiques.

La dynamique de formation des nanotrous et des parois environnantes est intimement liée aux propriétés de diffusion et de recristallisation des atomes lors de la phase de dépôt. En particulier, la taille, la forme et la composition des gouttes initiales gouvernent la profondeur et le diamètre des nanotrous ainsi que la morphologie des parois d’arséniure. L’extrême précision dans le contrôle de ces paramètres permet une grande variabilité dans les propriétés structurelles des AQ, ce qui est essentiel pour moduler leurs caractéristiques électroniques et optiques.

La compréhension approfondie des phénomènes physiques sous-jacents, notamment les interactions entre diffusion atomique, énergie de surface et phénomènes cinétiques lors de la formation des nanotrous, est indispensable. En particulier, les effets d’interface et la dynamique de croissance déterminent la possibilité de minimiser la dispersion des tailles des anneaux quantiques, ce qui est crucial pour des applications dans la photonique quantique ou l’électronique à l’échelle nanométrique.

Au-delà des paramètres de fabrication, il importe aussi de considérer l’impact des facteurs environnementaux, tels que la température de dépôt, la pression et le flux des matériaux, qui influencent directement les mécanismes de gravure et de recristallisation. Le contrôle précis de ces conditions assure la reproductibilité et la qualité des AQ produits par LDE.

L’intégration des anneaux quantiques dans des dispositifs exploitant leurs propriétés quantiques, comme la manipulation de spins ou la génération de photons uniques, nécessite aussi la maîtrise des caractéristiques électroniques, notamment la séparation des niveaux d’énergie et la gestion des effets d’interaction coulombienne. La géométrie spécifique des anneaux quantiques issus de LDE offre des possibilités inédites dans ce domaine grâce à leur haute symétrie et l’absence de contraintes mécaniques.

Enfin, il est essentiel de noter que cette méthode, en évitant les contraintes mécaniques souvent rencontrées dans d’autres procédés d’auto-assemblage, permet d’étudier avec précision les effets quantiques purs, sans interférence due à la déformation cristalline. Cette caractéristique confère aux anneaux quantiques produits par LDE un intérêt fondamental et appliqué majeur dans la recherche sur la physique des nanostructures.

Les développements futurs devront approfondir la compréhension des interactions atomiques à l’interface entre les gouttes liquides et le substrat, ainsi que l’impact des défauts résiduels sur la cohérence quantique des états confinés. Par ailleurs, la possibilité de combiner la technique LDE avec d’autres méthodes de nanofabrication pourrait ouvrir la voie à des architectures quantiques complexes et multi-fonctionnelles, adaptées aux technologies quantiques émergentes.