Thomas-Fermi screening of electrostatic fields in a type-I superconductor
En utilisant la microscopie à force atomique qPlus et la microscopie à effet tunnel sur du Pb(111) monocristallin, cette étude démontre expérimentalement que le criblage électrostatique dans un supraconducteur de type I reste régi par la longueur de Thomas-Fermi plutôt que par la profondeur de pénétration de London, contredisant ainsi la théorie alternative de J. E. Hirsch et confirmant que la réponse longitudinale demeure inchangée lors de l'entrée dans l'état supraconducteur.
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Depuis près d'un siècle, les physiciens s'appuient sur un ensemble de règles pour décrire le comportement des supraconducteurs. Ces matériaux, qui conduisent l'électricité sans aucune résistance, sont célèbres pour expulser les champs magnétiques, un phénomène connu sous le nom d'effet Meissner. Cette expulsion se produit parce que le supraconducteur crée un bouclier qui repousse les lignes de force magnétique, mais seulement sur une distance spécifique appelée profondeur de pénétration de London. Pendant des décennies, la vision standard a été que, bien que les supraconducteurs soient très efficaces pour bloquer les champs magnétiques, ils ne modifient pas la façon dont ils gèrent les champs électriques statiques. Selon cette compréhension traditionnelle, un champ électrique à proximité d'un supraconducteur est filtré, ou bloqué, sur une distance incroyablement courte, environ la largeur d'un seul atome, tout comme dans un métal normal. Cependant, il y a quelques années, un physicien nommé J. E. Hirsch a proposé une idée différente. Il a suggéré que les règles régissant la manière dont un supraconducteur bloque les champs électriques pourraient être les mêmes que celles des champs magnétiques. Si sa théorie était correcte, la distance sur laquelle un supraconducteur bloque un champ électrique deviendrait soudainement beaucoup plus longue lorsque le matériau se refroidit et devient supraconducteur, passant de la largeur d'un atome à une distance des milliers de fois plus grande. Cette possibilité a suscité un débat car elle signifierait que notre compréhension fondamentale du fonctionnement de ces matériaux doit être réécrite, avec des conséquences potentielles pour les futurs dispositifs électroniques qui reposent sur le contrôle des supraconducteurs par des champs électriques.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Nottingham a décidé de trancher cette question en observant directement la surface d'un supraconducteur. Ils ont choisi un cristal unique de plomb, un métal qui devient supraconducteur lorsqu'il est refroidi à des températures extrêmement basses. Pour tester les idées concurrentes, ils avaient besoin de mesurer la façon dont le matériau réagissait à un minuscule champ électrique juste à sa surface. Ils ont utilisé un instrument hautement sensible appelé microscope à effet tunnel, qui peut ressentir les forces entre une pointe acérée et une surface, et aussi mesurer le flux d'électrons. Les chercheurs ont refroidi leur échantillon de plomb à environ 340 millikelvins, une température si froide qu'elle n'est que de cinq pour cent du point où le plomb devient normalement supraconducteur. À cette température, le matériau est fermement dans son état supraconducteur. Pour comparer cet état avec un état normal, ils ont appliqué un champ magnétique de 200 millitesla à la surface. Ce champ magnétique était suffisamment fort pour détruire la supraconductivité, transformant le plomb à nouveau en métal normal sans changer la température ou la position de la pointe du microscope. En activant et en désactivant le champ magnétique, ils pouvaient observer exactement le même endroit de la surface dans les états supraconducteur et normal.
L'équipe a mesuré deux choses différentes pour voir si le filtrage électrique changeait. Premièrement, ils ont mesuré la force entre la pointe du microscope et l'échantillon en déplaçant la pointe plus près ou plus loin. Si le champ électrique était filtré sur une distance beaucoup plus longue dans l'état supraconducteur, comme l'avait prédit Hirsch, la force ressentie par la pointe changerait de manière notable. Ils ont effectué des dizaines de mesures au même endroit, en faisant la moyenne des résultats pour obtenir une image claire. Les données ont montré que la force était exactement la même, que le plomb soit supraconducteur ou normal. La différence entre les deux états était si petite qu'elle était noyée dans le bruit naturel de la mesure, bien trop infime pour soutenir l'idée d'un bouclier électrique à longue portée.
Pour être absolument certains, les chercheurs ont utilisé une seconde méthode indépendante. Ils ont observé l'énergie des électrons sautant de la pointe vers l'échantillon, un processus qui crée des motifs distincts appelés résonances d'émission de champ. Ces motifs agissent comme une empreinte digitale de l'environnement électrique juste à la surface. Si la longueur de filtrage électrique avait changé, les niveaux d'énergie de ces électrons auraient décalé. Les chercheurs ont comparé les modèles d'énergie dans l'état supraconducteur avec ceux de l'état normal. Les modèles se superposaient parfaitement, sans aucun décalage d'énergie mesurable. Cela a confirmé que le champ électrique est bloqué sur la même distance courte dans les deux états.
Les résultats ont été définitifs. Les chercheurs ont constaté que le changement de filtrage électrique entre l'état normal et l'état supraconducteur était inférieur à un pour cent. C'est des centaines de fois moins que ce que la théorie de Hirsch prédisait. Les données ont écarté l'idée que la longueur de filtrage s'étende à la taille du bouclier magnétique lorsque le matériau devient supraconducteur. Au lieu de cela, les conclusions soutiennent la vision traditionnelle : l'effet Meissner, qui bloque les champs magnétiques, est un phénomène distinct qui n'affecte pas la façon dont le matériau bloque les champs électriques statiques. Le champ électrique continue d'être filtré sur la distance minuscule d'un seul atome, qu'il s'agisse d'un supraconducteur ou d'un métal normal. Ce travail ferme le livre sur ce débat théorique spécifique, confirmant que les règles pour les champs électriques et magnétiques dans les supraconducteurs restent distinctes, même au niveau le plus fondamental.
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