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Jul 29, 2023

La physique

Les diodes semi-conductrices conduisent le courant dans un sens mais pas dans l’autre, ce qui leur confère une multitude d’applications en électronique. Leur propriété unidirectionnelle est rendue possible par une différence dans la conduction

Les diodes semi-conductrices conduisent le courant dans un sens mais pas dans l’autre, ce qui leur confère une multitude d’applications en électronique. Leur propriété unidirectionnelle est rendue possible par une différence dans le comportement conducteur des deux types de porteurs de charge : les électrons et les trous. Les diodes supraconductrices pourraient également être utiles dans les capteurs et autres dispositifs. Mais comme les supercourants n’ont qu’un seul type de porteur – des électrons regroupés en paires de Cooper – la réalisation d’une diode supraconductrice est plus difficile. En 2020, des chercheurs ont démontré un effet diode dans un dispositif supraconducteur fabriqué à partir d’un matériau en couches qui nécessitait un empilement précis, un fort couplage spin-orbite et une forme unique d’appariement de Cooper [1]. Aujourd'hui, Jagadeesh Moodera du Massachusetts Institute of Technology et ses collaborateurs ont créé une diode supraconductrice plus efficace, de conception plus simple et indépendante des effets électroniques ésotériques [2].

La conception de la diode de l'équipe consiste en une fine bande de niobium ou de vanadium. Contrairement à la plupart des supraconducteurs à élément unique, le niobium et le vanadium sont tous deux des supraconducteurs de type II, ce qui signifie qu'un champ magnétique appliqué de force appropriée induit la formation de vortex de supercourant qui tournent tous dans le même sens. Moodera et ses collègues ont appliqué un tel champ perpendiculairement à la surface de leur appareil, induisant des tourbillons à l'intérieur de la bande, ainsi que des supercourants (appelés courants de Meisner) le long des bords de la bande. Vu de dessus, un courant de bord circulait vers la droite (dans le sens « direct »), l'autre vers la gauche (dans le sens « inversé »). Les chercheurs ont ensuite envoyé un courant externe aux extrémités de la bande, dans le sens direct et inversé, et ont mesuré le courant net pour chaque cas.

En principe, les courants de bord contra-propagatifs sont égaux, de sorte que leurs contributions au courant net devraient s'annuler. Mais en pratique, la fabrication d’une bande entraîne inévitablement des différences structurelles entre les deux bords. Cette asymétrie accidentelle, a découvert l'équipe du MIT, était suffisamment grande pour aboutir à un rendement de diode de 20 %, défini comme la différence entre les courants nets directs et inversés, divisée par la somme. Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient augmenter le rendement de la diode jusqu’à 50 % en ajoutant délibérément des encoches sur l’un des bords. Mais ils ont obtenu une efficacité de 65 %, la valeur la plus élevée vue jusqu'à présent, en remplaçant le champ magnétique appliqué par le champ intrinsèque d'une couche supérieure d'un isolant ferromagnétique, le sulfure d'europium.

En effet, Moodera et ses collègues ont démontré qu'un effet de diode géante est présent dans les supraconducteurs ordinaires et résulte de la rupture d'une symétrie géométrique simple. De telles diodes supraconductrices pourraient trouver une utilisation immédiate dans l’électronique supraconductrice et une utilisation future dans des circuits de qubits supraconducteurs ou topologiques, explique Moodera.

Philip Moll étudie les matériaux quantiques à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière en Allemagne. Il souligne que l’observation d’un effet de diode important dans les supraconducteurs à élément unique est importante car leur simplicité rendra les applications plus faciles et plus évolutives. « La beauté du travail de Moodera et de ses collègues réside dans le fait qu'ils ont obtenu des rendements records sans même essayer », dit-il. "Leurs structures sont encore loin d'être optimisées."

–Jour Charles

Charles Day est rédacteur en chef du magazine Physics.

Yasen Hou, Fabrizio Nichele, Hang Chi, Alessandro Lodesani, Yingying Wu, Markus F. Ritter, Daniel Z. Haxell, Margarita Davydova, Stefan Ilić, Ourania Glezakou-Elbert, Amith Varambally, F. Sebastian Bergeret, Akashdeep Kamra, Liang Fu, Patrick A. Lee et Jagadeesh S. Modera

Phys. Le révérend Lett. 131, 027001 (2023)

Publié le 13 juillet 2023

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