Une équipe de scientifiques étudie l’interaction supraconductivité / magnétisme

Natalia Pugach , physicienne de l’Institut de physique nucléaire Skobeltsyn (Université d’Etat de Moscou Lomonossov MGU), a contribué à une étude de l’interaction entre la supraconductivité et le magnétisme afin de comprendre comment contrôler le spin des électrons.

En informatique quantique, l’unité d’information élémentaire n’est plus le bit (0 ou 1) mais le qbit, représentable physiquement par le spin d’un électron, et qui peut être dans l’état 0, 1 ou les deux à la fois. Savoir contrôler efficacement le spin d’un électron reste extrêmement délicat en l’état actuel des recherches.

En France, le projet SESAM (« Single spin manipulation towards quantum computation ») du CNRS s’est attaqué à ce problème afin de pouvoir lire le spin d’électrons d’ions magnétiques.

Concrètement, des ordinateurs manipulant ces spins dissiperaient une grande partie de l’énergie utilisée sous forme de chaleur. L’utilisation de matériaux supraconducteurs éliminerait ce problème car les courants circuleraient alors sans résistance.
La principale difficulté pour marier ces deux disciplines est que les paires d’électrons de Cooper, qui sont à la base de la supraconductivité, se comportent comme une particule de spin nul (les spins étant opposés, leur somme est nulle).

Il existe cependant un autre type de paires de Cooper, dites dans un état triplet, et qui possèdent un spin égal à 1. En 2013, les travaux de physiciens de l’université de Cambridge ont montré que leur utilisation pouvait définitivement permettre d’associer la spintronique et la supraconductivité.

Dans un papier publié par Nature début 2015, l’équipe de scientifiques, dont fait partie Natalia Pugach (qui a fourni l’interprétation théorique des résultats et des données expérimentales), a conduit des expériences à l’aide d’un dispositif constitué de diverses couches de métaux ferromagnétiques (cobalt) et supraconductrices (niobium), ainsi qu’une couche d’or. En modifiant le sens du champ magnétique, ils ont montré qu’il est possible de contrôler le courant dans le supraconducteur. Lorsque les directions d’aimantation des couches ferromagnétiques sont opposées, cela engendre une aimantation de la couche d’or, non magnétisé originellement. A l’inverse, lorsque la direction du champ magnétique de ces couches est similaire, l’effet induit sur la couche d’or est 20 fois moins important.

Cet effet pourrait potentiellement être à la base d’une nouvelle génération de dispositif quantique utilisant le spin des paires de Cooper.

Sources :

• Publication de Cambridge : Evidence for spin selectivity of triplet pairs in superconducting spin valves - N. Banerjee, C. B. Smiet, R. G. J. Smits, A. Ozaeta, F. S. Bergeret, M. G. Blamire & J. W. A. Robinson
• Publication dans Nature : Remotely induced magnetism in a normal metal using a superconducting spin-valve - M. G. Flokstra, N. Satchell, J. Kim, G. Burnell, P. J. Curran, S. J. Bending, J. F. K. Cooper, C. J. Kinane, S. Langridge, A. Isidori, N. Pugach, M. Eschrig, H. Luetkens, A. Suter, T. Prokscha & S. L. Lee
• Projet SESAM du CNRS