Etude du comportement microonde des supraconducteurs à haute température critique

– J. Kermorvant, Laboratoire des Solides Irradiés & Unité Mixte CNRS-Thalès (Palaiseau)
– C.J. van der Beek, Laboratoire des Solides Irradiés, Ecole Polytechnique
– Collaboration J. Briatico, B. Marcilhac, J.C Mage, Unité Mixte CNRS-Thalès (Palaiseau) dans le cadre de l’ANR Blanc 07-1-193024 « SURF »

L’utilisation des supraconducteurs à haute température critique reste encore souvent un défi. En vue d’applications en matière de télécommunication, on s’intéresse aux performances de tels dispositifs supraconducteurs à forte puissance micro-onde [1]. Il a pu être montré que c’est le chauffage par effet Joule qui est à l’origine de la dégradation de leurs propriétés et différentes pistes sont proposées pour éliminer cet effet indésirable.

De nombreuses applications ont été envisagées pour les supraconducteurs à haute température critique (SHTC, dont YBa₂Cu₃O₇) qui apportent une solution au problème des très basses températures indispensables à l’utilisation des supraconducteurs conventionnels. Parmi celles-ci, en technologie des télécommunications, des couches minces d’YBa₂Cu₃O₇ dans l’état supraconducteur permettent de réaliser des filtres passe-bande de très grand facteur de qualité Q. Il devient ainsi possible de réduire la bande passante attribuée de chaque canal pour mieux satisfaire les besoins en transmission d’informations dans la bande 10 – 100 GHz.

Cependant, la réponse non-linéaire aux champs hyperfréquences puissants nécessaires en télécommunication, est une source majeure de dégradation du signal, pour laquelle diverses causes ont été proposées :

• La fréquence élevée favorise l’excitation des porteurs de charge dans des états pour lesquels la résistance électrique n’est plus nulle. Cet effet est même plus important pour les SHTC du fait de la symétrie non-sphérique de leur état fondamental [2].
• les courants d’écrantage induits par un champ électromagnétique puissant perturbent la structure en vortex [4], pouvant entraîner la pénétration de flux magnétique et des pertes hystérétiques.
• L’échauffement local ou global du matériau, à cause des très petites excursions périodiques de quasiparticules (électrons non appariés) ou des vortex engendrés par le champ hyperfréquence.

Une étude approfondie, menée conjointement par le Laboratoire des Solides Irradiés et l’Unité Mixte CNRS Thalès, montre que les non-linéarités mesurées sont l’effet exclusif de l’échauffement par effet Joule des couches et que la perturbation des vortex (pertes hystérétiques) n’entre pas forcément en jeu [1]. Les mesures ont été faites en mesurant la fréquence de résonance (~ 10 GHz) de résonateurs diélectriques implantés pour concentrer le champ hyperfréquence au sein du supraconducteur. La mesure de la fréquence peut en effet être directement reliée à la température, permettant de disposer ainsi d’une sonde locale de température.

Ces observations ouvrent alors de nouvelles stratégies en cours d’exploration pour l’amélioration des dispositifs supraconducteurs utilisés dans le domaine hyperfréquence. L’effet néfaste d’oscillations de vortex à l’échelle nanométrique peut être contré par un blindage du dispositif, couplé à l’introduction de micro- (ou nano-)trous dans l’YBa₂Cu₃O₇ par lithographie chimique ou électronique. On évite ainsi la présence de vortex, et les rares vortex présents seront captés par ces trous qui remplacent les cœurs. On élimine ainsi totalement les états localisés de quasi-particules liés aux vortex (mais pas les états itinérants, qui résultent d’une propriété intrinsèque du matériau).

Il est envisageable d’utiliser, à l’avenir des couches minces des nouveaux supraconducteurs à base de pnictures de Fer (composé à base d’AS, P…). Les supraconducteurs de ce type présentent en effet le grand avantage d’une fonction d’onde sphérique, sans excitation de quasi-particules à basse température, et peuvent être utilisé à des températures dans le régime de 20 – 30 K, couvert par la plupart des cryocoolers à cycle fermé,

Références :

[1] Joule heating and high frequency nonlinear effects in the surface impedance of high Tc superconductors,
J. Kermorvant, C.J. van der Beek, J.-C Mage, B. Marcilhac, Y. Lemaître, J. Briatico, R. Bernard, J. Villegas, J. Appl. Phys. 106, 023912 (2009).

[2] Pairing symmetry in cuprate superconductors,
C.C. Tsuei et J.R. Kirtley, Rev. Mod. Phys. 72, 969 (2000).

[3] Strong pinning in high-temperature superconducting films,
C.J. van der Beek, M.V. Indenbom, M. Konczykowski, A. Abal’oshev, I. Abal’osheva, P. Gierlowski, S.J. Lewandowski, et S. Barbanera, Phys. Rev. B 66, 024523 (2002).

[4] Linear and nonlinear ac response in the superconducting mixed state,
C.J. van der Beek, V.B. Geshkenbein, et V.M. Vinokur, Phys. Rev. B 48, 3393 (1993).