Comment le phénomène de tunnel quantique a confirmé l'existence du gap d'énergie en supraconductivité

L'étude de la supraconductivité a connu une avancée significative grâce aux expérimentations du phénomène de tunnel quantique, en particulier celle réalisée par Ivar Giaever en 1960. Les premières indications concernant le gap d'énergie dans les supraconducteurs ont été données par Glover et Tinkham en 1956, à travers des expériences d'absorption optique dans la région infrarouge utilisant des films de plomb supraconducteurs. Cependant, c'est l'expérience de Giaever qui a véritablement permis de prouver de manière indiscutable l'existence de ce gap.

Le phénomène de tunnel quantique est donc au cœur de l'expérience de Giaever. Dans un tel agencement, lorsque la différence de potentiel entre les deux électrodes atteint la valeur du gap d'énergie, le courant électrique devient possible. Si cette différence de potentiel n'atteint pas la valeur du gap, aucun courant ne peut circuler, car aucun état d'énergie autorisé n'est disponible pour les électrons provenant de l'électrode normale. Les résultats expérimentaux de Giaever, qui ont confirmé cette prévision théorique, ont ouvert la voie à de nombreuses recherches ultérieures sur la supraconductivité et ont servi de base à la validation de la théorie BCS.

La découverte de Giaever a non seulement mis en évidence la structure quantique des supraconducteurs, mais a également montré que les paires de Cooper, ces couples d'électrons liés qui se déplacent sans résistance à travers les matériaux supraconducteurs, sont responsables de la supraconductivité. Ces paires expliquent également la quantification du flux magnétique, qui est la moitié de ce que l'on attendrait si les électrons étaient des particules élémentaires isolées, contrairement à la description des paires de Cooper.

Ce phénomène a permis d'approfondir la compréhension des transitions de phase quantiques, et des expériences ultérieures, comme celles menées sur les jonctions de tunnel, ont confirmé les prédictions théoriques. L'introduction du concept de tunnel quantique dans l'étude de la supraconductivité a constitué une révolution dans le domaine de la physique des solides et a donné naissance à des outils expérimentaux comme les jonctions Josephson.

L'effet Josephson, une conséquence directe des phénomènes de tunneling entre deux supraconducteurs, a été formulé par Brian Josephson, un étudiant de Cambridge, en 1962. Josephson a élargi la compréhension de l'effet de tunnel dans un contexte supraconducteur, en montrant que le passage du courant entre deux supraconducteurs, séparés par une barrière isolante, pouvait entraîner des oscillations de courant à une fréquence proportionnelle à la différence de potentiel appliquée. Cela a abouti aux célèbres équations de Josephson, qui modélisent ce phénomène.

où $I_s$ représente le courant de paires de Cooper et $\chi$ la différence de phase entre les deux électrodes. La fréquence des oscillations de Josephson est directement liée à la tension appliquée à la jonction, illustrant une nouvelle facette de la supraconductivité en tant que phénomène quantique macroscopique. L'importance de cette découverte est qu'elle permet de relier le comportement macroscopique des supraconducteurs à des principes fondamentaux de la mécanique quantique, offrant ainsi une meilleure compréhension des phénomènes de superfluidité et de superconductivité.

Les implications pratiques de l'effet Josephson sont considérables, notamment dans le développement de standards de tension, ainsi que dans les technologies de détection et de calcul quantique. Ce phénomène est la base de nombreux dispositifs modernes, tels que les SQUIDs (dispositifs à interférences quantiques supraconductrices), utilisés pour mesurer des champs magnétiques extrêmement faibles avec une précision inégalée.

Quel est le principe de fonctionnement du SQUID et ses applications dans la recherche et la médecine ?

Le SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) repose sur la quantification du flux magnétique et l'effet Josephson. Il est constitué de deux contacts Josephson placés dans une boucle supraconductrice fermée, comme illustré dans la figure 8.19. Si cette boucle est pénétrée par un flux magnétique, le flux magnétique à l'intérieur de la boucle ne peut exister qu'en unités entières de quanta de flux magnétique. Ce phénomène est rendu possible grâce à l'induction d'un courant de blindage supraconducteur circulant à l'intérieur de la boucle. Ce courant génère un flux magnétique supplémentaire qui, combiné au flux magnétique extérieur, complète exactement un multiple entier du quantum de flux magnétique. Cela conduit à une modulation périodique du courant de blindage en fonction du champ magnétique extérieur, où la période magnétique correspond à un quantum de flux dans la boucle. Ce phénomène est très sensible : une variation minime de la période de modulation du champ magnétique peut être détectée avec une grande précision.

Ce phénomène de modulation du courant de blindage est également lié à un courant électrique extérieur circulant dans le dispositif. Par conséquent, la tension mesurée le long de la boucle avec les deux jonctions Josephson parallèles présente aussi une modulation périodique, ce qui confère au SQUID une sensibilité exceptionnelle dans la mesure des champs magnétiques. Cette haute sensibilité permet au SQUID de jouer un rôle central dans la détection de champs magnétiques dans des applications variées, de la recherche fondamentale à la médecine.

Une autre avancée technologique dans ce domaine est la miniaturisation des SQUIDs. Des SQUIDs ultra-compacts, fabriqués sur des pointes de nano-échelle (nano-SQUID-on-tip), permettent aujourd'hui d'atteindre une résolution spatiale exceptionnelle, de l'ordre de quelques nanomètres. Cela permet de détecter des signaux de spin d'électrons individuels à une échelle qui était autrefois inimaginable.

Dans un autre registre, le domaine des applications techniques des matériaux supraconducteurs dans l'électronique de puissance a longtemps été limité par les faibles valeurs des champs magnétiques critiques et des courants critiques. Cependant, à partir des années 1960, de nouveaux matériaux supraconducteurs avec des températures critiques plus élevées ont rendu possibles des applications à plus grande échelle. Des matériaux comme le NbTi et le Nb3Sn ont permis le développement de fils supraconducteurs capables de supporter des courants plus importants et des champs magnétiques plus intenses, ouvrant ainsi la voie à l'utilisation de supraconducteurs dans des dispositifs tels que les bobines magnétiques. Ces bobines sont aujourd'hui couramment utilisées dans des laboratoires de recherche, notamment dans les accélérateurs de particules.

La fabrication de fils supraconducteurs à partir de ces nouveaux matériaux a nécessité des procédés de mise en forme sophistiqués, incluant le dessin de fils et des traitements thermiques et mécaniques spécifiques. L'une des méthodes les plus réussies a été le développement des "fils multifilamentaires", où de multiples fils minces de matériau supraconducteur sont intégrés dans une matrice de cuivre. Cette approche permet de maintenir une conductivité partielle même en cas de défaillance de la supraconductivité, tout en permettant de "piéger" les quanta de flux magnétique à l'intérieur du matériau.

L'importance de cette technologie ne se limite pas aux applications dans les systèmes de recherche. Elle est cruciale dans la mise en place de technologies à grande échelle, comme les moteurs électriques et les générateurs dans lesquels les supraconducteurs permettent de réduire les pertes d'énergie dues à la résistance électrique. La capacité à manipuler de puissants champs magnétiques grâce à la supraconductivité ouvre la voie à de nombreuses innovations dans le domaine de l'électronique de puissance, l'électromagnétisme, et au-delà.