La singularité quantique de Griffiths (SQG) est un phénomène rare où, près d'une transition de phase quantique, les exposants critiques divergent à cause de régions rares à dynamique anormalement lente. Dans les supraconducteurs bidimensionnels, la SQG est observée depuis une dizaine d'années, mais dans les tridimensionnels, seulement dans quelques systèmes : MgTi2O4, MoTiN et CaFe1−xNixAsF. De plus, le comportement de ces trois systèmes diffère : dans MgTi2O4 et CaFe1−xNixAsF, l'exposant critique suit une loi d'activation pour la 3D, tandis que dans les films de MoTiN, il suit une loi pour la 2D, bien que la supraconductivité y soit volumique. Le travail sur ZrNx est isolé : dans les archives voisines, on trouve des études sur les vortex magnétiques comme qubits, les propriétés thermiques des supraconducteurs et l'influence du vide sur le magnétisme, mais il n'y a presque pas de voisins directs sur ce sujet.
Des films de ZrNx d'environ 200 nm d'épaisseur ont été déposés par pulvérisation magnétron réactive sur des substrats de MgO(100) à 740 K, en faisant varier la pression partielle d'azote de 5 % à 20 %, afin d'obtenir des compositions allant de x≈1.21 à 1.50. La structure a été contrôlée par diffraction des rayons X, et la composition par spectroscopie à dispersion d'énergie. La résistance a été mesurée par la méthode quatre pointes dans un cryostat avec un réfrigérateur à 3He jusqu'à 0.5 K, dans des champs magnétiques dirigés perpendiculairement et parallèlement au plan du film. Pour l'analyse du scaling, on a utilisé la dépendance en loi de puissance de la résistance en fonction du champ et de la température, adoptée pour les systèmes bidimensionnels, bien que les films soient manifestement tridimensionnels du point de vue de la supraconductivité.
Pour les films avec x≳1.30, les courbes de magnétorésistance à différentes températures ne se croisent pas en un point unique, mais dans une large région de champs : c'est un signe de SQG. L'exposant critique effectif zν, extrait du scaling en loi de puissance, augmente lorsque la température diminue et diverge quand T→0. La dépendance de zν en fonction du champ critique est décrite par une loi d'activation avec un exposant νψ≈0.7–0.8, ce qui est proche de la valeur 0.61 issue de simulations pour la 2D. Les données près de la transition se regroupent sur deux branches dans les coordonnées du scaling d'activation pour la 2D. De plus, les champs critiques supérieurs Bc2⊥ et Bc2∥ sont anormaux : le champ parallèle est plus petit que le champ perpendiculaire, ce qui est inhabituel pour des films minces.
Ce travail démontre pour la première fois une SQG avec un scaling bidimensionnel dans un supraconducteur tridimensionnel à réseau cubique, différent des nitrures étudiés précédemment. Contrairement aux travaux voisins qui portent sur les vortex magnétiques, la conductivité thermique ou l'influence du vide, l'accent est ici mis sur la transition de phase quantique supraconducteur-isolant dans un système désordonné. Le résultat renforce l'hypothèse selon laquelle des régions supraconductrices rares dans un matériau 3D peuvent se comporter comme effectivement bidimensionnelles en raison d'un réseau de percolation de feuillets supraconducteurs.
Le sujet pourrait évoluer vers l'observation directe de la dynamique des régions supraconductrices rares par microscopie à effet tunnel ou spectroscopie micro-onde. Il serait intéressant de vérifier si le scaling bidimensionnel persiste dans d'autres nitrures de métaux de transition fortement désordonnés, comme HfN ou TiN. Les théoriciens devront expliquer pourquoi les régions rares dans un environnement 3D acquièrent une dimensionnalité effective de 2.
Les résultats influenceront la compréhension des transitions de phase quantiques dans les supraconducteurs désordonnés et le développement de dispositifs supraconducteurs où le désordre est inévitable. Ils sont également importants pour généraliser la théorie de la SQG aux systèmes tridimensionnels.
La prochaine étape consiste à mesurer le transport dans ZrNx à des températures encore plus basses (millikelvins) et dans des champs magnétiques inclinés, afin de séparer la contribution des régions rares des effets volumiques. Il serait également utile de réaliser une spectroscopie locale pour visualiser les îlots supraconducteurs.
Ce travail est directement lié à un problème non résolu de la physique de la matière condensée : comment le désordre et les régions rares contrôlent les transitions de phase quantiques dans les supraconducteurs. Il apporte de nouvelles données au débat de longue date sur la nature de la transition supraconducteur-isolant dans les systèmes tridimensionnels et sur le rôle de la dimensionnalité effective près du point critique.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Dans ce travail, des films épitaxiés de ZrNx d'une épaisseur d'environ 200 nm ont été cultivés avec une teneur en azote contrôlée, et la magnétorésistance a été mesurée à des températures extrêmement basses sous des champs allant jusqu'à 9 T. On a observé que les courbes de magnétorésistance à différentes températures se croisent dans une large gamme de champs, et que l'exposant critique effectif zν diverge lorsque T→0, ce qui est interprété comme une singularité quantique de Griffiths avec un scaling bidimensionnel dans un supraconducteur tridimensionnel.
Où est sa force
Ce travail met en évidence un cas rare de singularité quantique de Griffiths dans un supraconducteur tridimensionnel à réseau cubique, où le scaling correspond à un système bidimensionnel. Cela élargit la classe de matériaux présentant un tel comportement et fournit un nouvel exemple pour tester les modèles théoriques.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
La compréhension des transitions de phase quantiques dans les supraconducteurs désordonnés est importante pour le développement de dispositifs où la supraconductivité est supprimée par un champ magnétique ou par le désordre, ainsi que pour la physique fondamentale des phénomènes critiques quantiques dans les systèmes tridimensionnels.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.52, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
Le nitrure de zirconium est l'un des plus anciens supraconducteurs connus : sa supraconductivité a été découverte dès 1952 à une température de 9.05 K. Depuis, ce matériau a été utilisé dans des revêtements protecteurs et des outils de coupe, et le voici maintenant comme terrain d'étude pour des phénomènes quantiques exotiques.