Supraconductivité réentrante dans un réseau de jonctions Josephson naturel accordé par la puissance radiofréquence

Des courants électriques qui circulent sans effort

La plupart du temps, lorsqu’un courant circule dans un fil, il dissipe de l’énergie sous forme de chaleur. Les supraconducteurs sont des matériaux particuliers où le courant peut circuler sans cette perte, mais ils fonctionnent généralement seulement dans des conditions très strictes de basse température et de faible champ magnétique. Cette étude explore un aspect inhabituel de ce comportement, où un supraconducteur semble s’éteindre puis se rallumer lorsque l’on change les paramètres, révélant une physique cachée riche qui pourrait aider à concevoir les dispositifs quantiques du futur.

Un matériau simple avec un réseau caché

Les chercheurs se concentrent sur l’aluminium granulaire, un film mince composé d’innombrables grains métalliques supraconducteurs séparés par de fines barrières isolantes. Ensemble, ces grains forment un réseau naturel de liaisons faibles pour les électrons, connu des physiciens sous le nom de réseau de jonctions Josephson. Bien que chaque liaison soit simple, l’ensemble du réseau peut afficher un comportement collectif complexe. L’aluminium granulaire est attrayant parce que ses grains sont extrêmement petits, ce qui renforce les effets quantiques et permet aux scientifiques de régler la facilité avec laquelle les électrons se déplacent entre les grains.

Utiliser les ondes radio comme bouton de réglage

Au lieu de reconstruire le matériau à chaque fois qu’ils voulaient modifier ses propriétés, l’équipe a utilisé la puissance radiofréquence comme télécommande. Ils ont envoyé un signal radio à travers le dispositif tout en faisant passer un petit courant continu et en ajustant la température et le champ magnétique. En augmentant progressivement la puissance radio, ils ont pu pousser le système d’un état supraconducteur homogène vers un état isolant, où le courant est fortement bloqué et la résistance devient dix fois plus élevée que dans l’état métallique ordinaire non supraconducteur. À basses températures, ils ont aussi observé de larges plateaux de tension en faisant varier le courant, connus sous le nom de grands pas de Shapiro, qui montrent que de nombreuses liaisons faibles dans le réseau agissent de concert comme une jonction unique bien coordonnée.

Un supraconducteur qui s’en va puis revient

L’effet le plus marquant est apparu lorsque l’équipe a cartographié la variation de la résistance en fonction de la température et de la puissance radio. À une certaine puissance radio, le matériau est supraconducteur à très basse température, puis devient isolant lorsque la température augmente, et puis, de manière tout à fait inattendue, redevient supraconducteur à une température plus élevée avant de finir par devenir un métal normal. Autrement dit, la conduction parfaite disparaît, réapparaît, puis disparaît à nouveau à mesure que l’échantillon se réchauffe. Un retour similaire de la supraconductivité se manifeste également lorsqu’un champ magnétique est appliqué dans de bonnes conditions.

De nombreuses particules agissant ensemble

Pour comprendre ce retour surprenant de la supraconductivité, les auteurs confrontent leurs résultats à un cadre théorique développé pour les réseaux de liaisons faibles. Dans cette perspective, non seulement la facilité de passage du courant entre les grains compte, mais aussi l’intensité avec laquelle la charge électrique est verrouillée sur chaque grain. À des températures plus élevées, des charges mobiles dans le réseau peuvent écranter, ou atténuer, la répulsion entre charges, réduisant effectivement le coût énergétique de déplacer une charge d’un grain à l’autre. Même si une température plus élevée nuit habituellement à la supraconductivité, dans ce réseau elle peut en fait favoriser l’état coopératif en diminuant cet effet de verrouillage. Ce comportement collectif à plusieurs particules dépasse ce qu’une seule liaison faible peut montrer.

Pourquoi cela compte pour les technologies futures

Les mesures et la modélisation montrent qu’un métal granulaire d’apparence simple peut servir de terrain de jeu contrôlable pour des états quantiques complexes. En ajustant la puissance radio, la température et le champ magnétique, un même dispositif peut être commuté entre un état supraconducteur rigide, un état isolant dominé par des fluctuations quantiques, et un état supraconducteur réentrant piloté par l’écrantage à plusieurs corps. Cette polyvalence suggère que les supraconducteurs granulaires pourraient servir de blocs de construction pour de nouveaux circuits quantiques et comme systèmes modèles pour explorer comment de grands réseaux d’éléments quantiques donnent lieu à des comportements collectifs surprenants.

Citation: Avraham, S., Sankar, S., Sandik, S. et al. Reentrant superconductivity in a naturally occurring Josephson junction array tuned by radio-frequency power. Nat Commun 17, 4734 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71256-8

Mots-clés: supraconductivité réentrante, aluminium granulaire, réseau de jonctions Josephson, accord radiofréquence, transition de phase quantique

En savoir plus sur le site web de l'équipe de recherche: https://daganlab.sites.tau.ac.il/