Défauts topologiques et autres propriétés des supraconducteurs à multiples composantes
Les défauts topologiques et leur compréhension sont au coeur de la physique moderne. Ils sont omniprésents en physique, car ils surviennent dans un contexte très large allant de la cosmologie de l'univers primordial et de la physique des particules, à la physique de l'état solide et de la matière condensée systèmes. En fonction la théorie sous-jacente, les défauts topologiques peuvent être de différentes natures, comme par exemple les dislocations dans les cristaux liquides, les monopôles, les murs de domaine, les vortex, les skyrmions, les hopfions, et bien plus encore. Ils sont intimement liés aux transitions de phase, et leur simple existence peut avoir un grand impact. Ils sont par exemple à l'origine de certaines transitions de phase dans divers systèmes physiques, comme lors de la prolifération de vortex dans les superfluides et les supraconducteurs.
La supraconductivité et la superfluidité sont des états de la matière caractérisés par la cohérence macroscopique des excitations quantiques sous-jacentes. La propriété intéressante est que ces problèmes quantiques à N-corps peuvent être réduits, dans l'approximation du champ moyen, à des théories classiques des champs, non linéaires, décrivant les propriétés macroscopiques de l'état cohérent. Ces approximations de champ moyen sont les équations de Gross-Pitaevskii pour les superfluides et les équations de Ginzburg-Landau pour les supraconducteurs. L'importance cruciale des excitations topologiques dans la physique de la supraconductivité a fait des vortex de Ginzburg-Landau l'un des exemples les plus étudié de défauts topologiques. En effet, les propriétés de transport des supraconducteurs dépendent de manière cruciale du comportement des vortex magnétiques dans ces matériaux. Par exemple, les courants critiques élevés dans les lignes de transmission supraconductrices commerciales actuelles ne sont atteints qu'en contrôlant soigneusement le mouvement des vortex dans ces matériaux.
Il y a eu récemment un certain nombre de développements expérimentaux et de découvertes de nouveaux matériaux supraconducteurs, dont les degrés de liberté à plusieurs corps ont plusieurs composantes. Ces supraconducteurs, qui sont décrits par plusieurs condensats supraconducteurs, sont le lieu de nombreux phénomènes nouveaux, qui sont absents chez leurs homologues à une seule composante. Plusieurs de ces nouveaux aspects de la supraconductivité à plusieurs composantes sont présentés dans cette présentation.
Ils hébergent d'abord un large éventail de défauts topologiques. En effet, ayant plusieurs condensats, les excitations topologiques élémentaires des matériaux à plusieurs composantes sont des vortex fractionnaires. Ceux-ci peuvent se combiner pour former des états liés d'énergie finie, porteurs de flux. De tels défauts composites peuvent être de diverses nature, notamment des vortex, skyrmions, hopfions et murs de domaine. De plus, il existe des invariants topologiques supplémentaires qui permettent de différencier ces différents types de défauts topologiques.
Par ailleurs, les supraconducteurs à plusieurs composantes sont généralement décrits par des échelles de longueur caractéristiques supplémentaires. Il est donc en général impossible de construire un unique paramètre de Ginzburg-Landau. Également, l'interaction entre vortex peut être différente de soit purement attractive ou soit répulsive. Ainsi, il peut exister une phase supraconductrice, qui n'est ni de type-1 ni de type-2, où les vortex peuvent former des agrégats entourés de régions dans l'état Meissner.
Enfin, du fait de la compétition entre différents canaux d'appariement, certains états peuvent briser spontanément la symétrie d'inversion temporelle. Cela implique non seulement de nouvelles excitations topologiques, mais aussi que les modes collectifs et les échelles de longueur sont sensibles cette symétrie brisée. De plus, comme les réponses électriques et magnétiques ont des contributions supplémentaires, les propriétés thermoélectriques des états supraconducteurs qui brisent la symétrie d'inversion temporelle sont modifiées.
