Une technique révolutionnaire de préparation d'échantillons a permis aux chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et de l'Université de Tokyo de réaliser l'étude la plus contrôlée et la plus sensible à ce jour d'un isolant topologique (TI) étroitement couplé à un supraconducteur (SC). Les scientifiques ont observé l'effet de proximité supraconducteur - la supraconductivité induite dans le TI en raison de sa proximité avec le SC - et ont mesuré sa relation avec la température et l'épaisseur du TI.

Les TI à supraconductivité induite sont d'un intérêt primordial pour les physiciens car ils ont le potentiel d'héberger des phénomènes physiques exotiques, y compris l'insaisissable fermion de Majorana - une particule élémentaire théorisée comme sa propre antiparticule - et pour présenter une supersymétrie - un phénomène dépassant le modèle standard qui mettrait en lumière de nombreux problèmes en suspens en physique. Les TI supraconducteurs sont également très prometteurs pour les applications technologiques, y compris le calcul quantique topologique et la spintronique.

Les supraconducteurs topologiques naturels sont rares, et ceux qui ont été étudiés ont montré des écarts supraconducteurs extrêmement petits et des températures de transition très basses, limitant leur utilité pour découvrir les propriétés physiques et les comportements intéressants qui ont été théorisés.

Les TI ont été utilisés dans l'ingénierie des supraconducteurs topologiques supraconducteurs (TI/SC), en faisant croître des TI sur un substrat supraconducteur. Depuis leur découverte expérimentale en 2007, Les TI ont intrigué les physiciens de la matière condensée, et une rafale de recherches théoriques et expérimentales menées dans le monde entier a exploré les propriétés de la mécanique quantique de cette classe extraordinaire de matériaux. Ces matériaux 2D et 3D sont isolants dans leur masse, mais conduisent l'électricité sur leurs bords ou surfaces externes via des états électroniques de surface spéciaux qui sont topologiquement protégés, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être facilement détruits par des impuretés ou des imperfections dans le matériau.

Mais l'ingénierie de tels systèmes TI/SC via la croissance de films minces TI sur des substrats supraconducteurs s'est également avérée difficile, étant donné plusieurs obstacles, y compris l'inadéquation de la structure du réseau, réactions chimiques et défauts de structure à l'interface, et d'autres facteurs encore mal compris.

Maintenant, une nouvelle technique de culture d'échantillons mise au point à l'U. of I. a surmonté ces obstacles. Développé par le professeur de physique James Eckstein en collaboration avec le professeur de physique Tai-Chang Chiang, la nouvelle technique de culture d'échantillons TI/SC « flip-chip » a permis aux scientifiques de produire des couches minces du séléniure de bismuth TI bien étudié sur le niobium SC prototype, malgré leurs structures de réseau cristallin incompatibles et la nature hautement réactive de niobium.

Ces deux matériaux pris ensemble sont idéaux pour sonder les aspects fondamentaux de la physique TI/SC, selon Chiang :"C'est sans doute l'exemple le plus simple d'un TI/SC en termes de structures électroniques et chimiques. Et le SC que nous avons utilisé a la température de transition la plus élevée parmi tous les éléments du tableau périodique, ce qui rend la physique plus accessible. C'est vraiment idéal; il fournit un plus simple, base plus accessible pour explorer les bases de la supraconductivité topologique, " commente Chiang.

La méthode permet un contrôle très précis de l'épaisseur de l'échantillon, et les scientifiques ont examiné une gamme de 3 à 10 couches TI, avec 5 couches atomiques par couche TI. Les mesures de l'équipe ont montré que l'effet de proximité induit une supraconductivité à la fois dans les états de masse et dans les états de surface topologiques des films TI. Chiang souligne, ce qu'ils ont vu donne de nouvelles perspectives sur l'appariement supraconducteur des états de surface topologiques polarisés en spin.

"Les résultats de cette recherche sont sans ambiguïté. Nous voyons clairement le signal, " Chiang résume. " Nous avons étudié le gap supraconducteur en fonction de l'épaisseur du film TI et aussi en fonction de la température. Le résultat est assez simple :l'écart disparaît au fur et à mesure que l'on dépasse la température de transition du niobium. C'est bien, c'est simple. Il montre que la physique fonctionne. Plus intéressante est la dépendance à l'épaisseur du film. Sans surprise, nous voyons que l'espace supraconducteur se réduit pour l'augmentation de l'épaisseur du film TI, mais la réduction est étonnamment lente. Cette observation soulève une question intrigante concernant la façon dont l'appariement à la surface du film est induit par le couplage à l'interface. »

Chiang attribue à Eckstein le développement de la méthode ingénieuse de préparation des échantillons. Il s'agit d'assembler l'échantillon dans l'ordre inverse, au-dessus d'un substrat sacrificiel d'oxyde d'aluminium, communément appelé le saphir minéral. Les scientifiques sont capables de contrôler le nombre spécifique de couches de cristaux TI cultivés, chacun d'épaisseur atomique quintuple. Ensuite, une couche supraconductrice polycristalline de niobium est déposée par pulvérisation au-dessus du film TI. L'échantillon est ensuite retourné et la couche sacrificielle qui avait servi de substrat est délogée en frappant une « broche de clivage ». Les couches sont clivées précisément à l'interface du TI et de l'oxyde d'aluminium.

Eckstein explique, « La technique « flip-chip » fonctionne parce que les couches ne sont pas fortement liées, elles sont comme une pile de papier, où il y a de la force dans la pile, mais vous pouvez séparer les couches facilement. Ici, nous avons un réseau triangulaire d'atomes, qui vient dans des paquets de cinq-ces couches sont fortement liées. Les cinq couches suivantes reposent sur le dessus, mais sont faiblement liés aux cinq premiers. Il s'avère, le maillon le plus faible se trouve juste à l'interface substrat-TI. Une fois clivé, cette méthode donne une surface pure, sans contamination due à l'exposition à l'air."

Le clivage a été réalisé sous ultravide, au sein d'un instrument hautement sensible de l'Institut de physique des solides de l'Université de Tokyo, capable d'effectuer une spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) dans une plage de températures.

Chiang reconnaît, "Les caractéristiques supraconductrices se produisent à de très petites échelles d'énergie - cela nécessite une résolution en énergie très élevée et des températures très basses. Cette partie de l'expérience a été réalisée par nos collègues de l'Université de Tokyo, où ils ont les instruments avec la sensibilité pour obtenir la résolution dont nous avons besoin pour ce genre d'étude. Nous n'aurions pas pu faire cela sans cette collaboration internationale."

"Cette nouvelle méthode de préparation des échantillons ouvre de nombreuses nouvelles voies de recherche, en termes de physique exotique, et, à long terme, en termes d'applications utiles possibles, y compris potentiellement la construction d'un meilleur supraconducteur. Il permettra la préparation d'échantillons en utilisant une large gamme d'autres TI et SC. Il pourrait également être utile dans la miniaturisation des appareils électroniques, et en informatique spintronique, qui nécessiterait moins d'énergie en termes de dissipation thermique, " conclut Tchang.

Eckstein ajoute, "Cela suscite beaucoup d'enthousiasme. Si nous pouvons fabriquer un TI supraconducteur, les prédictions théoriques nous disent que nous pourrions trouver une nouvelle excitation élémentaire qui ferait un bit quantique topologique idéal, ou qubit. Nous n'en sommes pas encore là, et il y a encore beaucoup de choses à s'inquiéter. Mais ce serait un qubit dont la fonction d'onde de la mécanique quantique serait moins sensible aux perturbations locales qui pourraient provoquer un déphasage, gâcher les calculs."

Ces résultats ont été publiés en ligne le 27 avril 2018 dans la revue Avancées scientifiques .