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L’état FFLO enfin révélé par RMN au LNCMI

C’est un phénomène recherché depuis très longtemps, permettant à la supraconductivité de survivre dans des champs magnétiques très intenses, qui vient d’être enfin caractérisé au LNCMI, grâce à une collaboration entre Vesna Mitrovic, de l’Université de Brown à Providence, l’équipe RMN du LNCMI, et des collègues de l’Université de Tokyo. La collaboration a permis de mettre en évidence l’existence d’états liés d’Andreev, une signature microscopique caractéristique de l’état dit FFLO.

Fig. 1 Le taux de relaxation RMN du 13C dans kappa-(BEDT-TTF)2Cu(SCN)2 à haut champ magnétique en fonction de la température. Le pic de relaxation est une signature claire de l’état FFLO, ici à 22 T, en comparaison avec le comportement dans la phase supraconductrice à plus bas champ à 15 T et la phase normale à 27 T.

Comme le mécanisme de supraconductivité est fondé sur la formation de paires d’électrons de spins et de moments cinétiques opposés, les paires de Cooper, cet état peut être détruit par l’application d’un champ magnétique suffisamment intense pour forcer l’alignement dans le même sens des deux spins de la paire. En 1964, les physiciens P. Fulde, R. Ferrell, A. Larkin et Y. Ovchinnikov, découvrirent que certains matériaux pouvaient mieux résister aux champs magnétiques à condition que les paires de Cooper acquièrent un moment cinétique total non-nul. Dans cette nouvelle phase, dite "FFLO", l’état supraconducteur devient modulé périodiquement dans l’espace, et les spins alignés par champ participent à la formation d’états quantiques exotiques appelés états liés d’Andreev. L’observation de l’état FFLO, prédit théoriquement il y a cinquante ans, a fait l’objet d’une longue quête expérimentale. Dans plusieurs systèmes son existence a été soupçonnée à partir de diagrammes de phases établis depuis des mesures macroscopiques. Cependant, une signature directe et microscopique de cet état était toujours manquante, jusqu’à l’étude par RMN dans les bobines résistives du LNCMI sur le supraconducteur organique kappa-(BEDT-TTF)2Cu(SCN)2. Celle-ci a mis en évidence un pic dans la relaxation nucléaire à l’intérieur de la phase FFLO (Fig. 1), dont la dépendance en température et en champ magnétique montre qu’elle est due à l’existence des états liés d’Andreev.
La physique de la phase FFLO peut s’appliquer aussi à des systèmes très différents, comme en astrophysique dans la compréhension des pulsars, ou en physique des particules dans la description des interactions entre quarks (chromodynamique quantique). Ces systèmes sont totalement inaccessibles à l’expérience, d’où l’importance capitale d’identification de la phase FFLO en matière condensée, là où une étude expérimentale est possible.

Pour en savoir plus : H. Mayaffre et al., "Evidence of Andreev bound states as a hallmark of the FFLO phase in kappa-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2", Nature Phys. 10, (2014).

Voir également : <http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/oct/29/superconductor-finally-goes-with-the-fflo>.