L’ardoise magique
17/11/16

Lorsqu’un supraconducteur est plongé dans un champ magnétique intense, il perd cette qualité de supraconductivité. Une propriété –malencontreuse- qui freine les développements d’applications basées sur le transport de courant. Pour y remédier, il faut essayer de mieux comprendre ce phénomène puis de le contrôler. Jérémy Brisbois et l’équipe du Département de physique de l’Université de Liège y sont parvenus en revêtant le supraconducteur d’une fine couche d’un matériau magnétique. Cette astuce leur a permis de « voir » le déplacement des lignes du champ magnétique à l’intérieur du supraconducteur.

Les supraconducteurs n’ont pas fini d’intriguer et d’intéresser les physiciens. Notamment à cause d’une de leurs caractéristiques : quand ils sont plongés dans un champ magnétique, ils perdent leur conductivité parfaite. Du moins est-ce le cas avec des champs relativement faibles pour les supraconducteurs dits de type I.  Dans ce cas, au-delà d’une certaine valeur, le champ pénètre dans le supraconducteur plutôt que d’être rejeté par lui et détruit la supraconductivité. Il existe aussi des supraconducteurs de type II (souvent des alliages métalliques), qui acceptent des champs beaucoup plus intenses car ils tolèrent une pénétration locale du champ magnétique. C’est ce qui a permis d’utiliser la supraconductivité dans les énormes aimants des accélérateurs de particules comme le LHC (grand collisionneur de hardons) du CERN. Mais au-delà de certaines valeurs de champ, la conductivité parfaite disparaît également. Comment s’explique ce phénomène ? Par le déplacement des lignes de champ magnétique dans le matériau. Celles-ci se regroupent en effet en minuscules cylindres mesurant une centaine de nanomètres, appelés vortex. Dans ces cylindres, le matériau est normal (non supraconducteur) et en l’absence de courant ou si celui-ci est trop faible, ils ne bougent pas, d’où les propriétés supraconductrices du matériau. Si le courant devient trop intense cependant, ces vortex bougent dans le matériau, ce qui dissipe de l’énergie et met fin au caractère supraconducteur du matériau.

C’est donc une propriété essentielle pour les applications de transport du courant. Et les chercheurs tentent évidemment de reporter cette limite toujours plus loin (c’est-à-dire garder la supraconductivité à des champs de plus en plus élevés). Pour cela, il faut en savoir plus sur le comportement des vortex et trouver un moyen de les figer dans le matériau. Une des manières d’y arriver, la plus intuitive sans doute, est de forer des trous minuscules dans le matériau pour que les vortex y « tombent » et y restent figés. Une méthode qui a fait ses preuves mais qui manque singulièrement de flexibilité : les trous faits, on ne peut revenir en arrière. Si on veut étudier une autre configuration, il faut « usiner » un nouveau matériau. « Nous avons donc cherché une méthode plus flexible, explique Jérémy Brisbois, aspirant FNRS au sein du Département de physiquede l’Université de Liège (Physique Expérimentale des Matériaux Nanostructurés, professeur Alejandro Silhanek) et premier auteur de l’article publié dans Scientific Reports (1) : placer une fine couche magnétique sur le supraconducteur. C’est le même principe que celui de l’ardoise magique qui permet de dessiner et effacer à volonté à l’aide d’un stylet. Celui-ci contient un aimant qui permet de dessiner des traits parce qu’il attire les particules magnétiques qui sont sur l’ardoise. Dans notre cas, le rôle de l’ardoise est joué par la fine couche de matériau magnétique qui recouvre le supraconducteur et le rôle du stylet est tenu par les vortex supraconducteurs qui sont une source très localisée de champ magnétique. Ils vont donc, eux aussi, laisser une trace de leur passage en polarisant localement la couche magnétique ». Le dispositif étudié se compose donc d’un support de silicium sur lequel est déposé une couche de niobium (le supraconducteur) de 140 nm d’épaisseur, lui-même revêtu du matériau ferromagnétique (ici du Fe20Ni80) ; le champ magnétique H est appliqué à l’ensemble. Comme on le voit, la couche ferromagnétique n’a pas une forme régulière (carré ou rectangle) mais a été dessinée afin de voir directement comment le comportement des vortex est influencé en fonction de différents angles.

Ardoise magique illu1
Schéma du dispositif étudié, fabriqué sur un substrat de silicium (en gris). Le supraconducteur (en bleu) est un carré de niobium de 2x2 mm² d’une épaisseur de 140 nm, avec une température critique de 9 K (-264°C). Il est partiellement couvert d’une couche ferromagnétique polygonale (en orange) composée de Fe20Ni80 (ou permalloy). Deux dispositifs ont été utilisés, différant de par l’épaisseur de la couche magnétique : 50 nm ou 450 nm. Par ailleurs, une fine couche d’oxyde de silicium placée entre le supraconducteur et le matériau magnétique permet d’isoler électriquement les deux matériaux. Au cours des expériences, le dispositif est plongé dans un champ magnétique H perpendiculaire (flèche verte).

(1) Imprinting superconducting vortex footsteps in a magnetic layer, Brisbois Jérémy et al., Scientific Reports 6, 27159 (2016).

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