Des chercheurs de l'Université du Maryland, l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), le National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) et l'Université d'Oxford ont observé un phénomène rare appelé supraconductivité réentrante dans le matériau ditellurure d'uranium. La découverte renforce les arguments en faveur du ditellurure d'uranium en tant que matériau prometteur pour une utilisation dans les ordinateurs quantiques.

Surnommé « La supraconductivité de Lazare » d'après le personnage biblique ressuscité des morts, le phénomène se produit lorsqu'un état supraconducteur apparaît, tombe en panne, puis réapparaît dans un matériau en raison d'un changement dans un paramètre spécifique - dans ce cas, l'application d'un champ magnétique très puissant. Les chercheurs ont publié leurs résultats le 7 octobre 2019, dans la revue Physique de la nature .

Autrefois rejeté par les physiciens pour son manque apparent de propriétés physiques intéressantes, le ditellurure d'uranium a son propre moment Lazare. La présente étude est la deuxième en autant de mois (toutes deux publiées par des membres de la même équipe de recherche) à démontrer des états de supraconductivité inhabituels et surprenants dans le matériau.

"Il s'agit d'un supraconducteur très récemment découvert avec une foule d'autres comportements non conventionnels, donc c'est déjà bizarre, " dit Nicolas Butch, professeur adjoint de physique à l'UMD et physicien au NIST Center for Neutron Research. "[La supraconductivité de Lazare] a presque certainement quelque chose à voir avec la nouveauté du matériau. Il se passe quelque chose de différent là-dedans."

Les recherches précédentes, publié le 16 août 2019 dans la revue Science, ont décrit l'état fondamental rare et exotique connu sous le nom de supraconductivité spin-triplet dans le ditellurure d'uranium. La découverte a marqué le premier indice que le ditellurure d'uranium mérite un deuxième regard, en raison de ses propriétés physiques inhabituelles et de son potentiel élevé d'utilisation dans les ordinateurs quantiques.

"C'est en effet un matériau remarquable et il nous tient très occupés, " dit Johnpierre Paglione, professeur de physique à l'UMD, le directeur du Center for Nanophysics and Advanced Materials de l'UMD (CNAM, qui sera bientôt rebaptisé Quantum Materials Center) et co-auteur de l'article. « Le ditellurure d'uranium pourrait très bien devenir le « manuel » supraconducteur à triplet de spin que les gens recherchent depuis des dizaines d'années et il a probablement d'autres surprises en réserve. Il pourrait s'agir du prochain ruthénate de strontium – un autre supraconducteur à triplet de spin proposé qui a été étudié pendant plus de 25 ans."

La supraconductivité est un état dans lequel les électrons traversent un matériau avec une efficacité parfaite. Par contre, le cuivre, qui n'est surpassé que par l'argent en termes de capacité de conduction des électrons, perd environ 20 % de sa puissance sur les lignes de transmission longue distance, lorsque les électrons se heurtent à l'intérieur du matériau pendant le voyage.

La supraconductivité de Lazare est particulièrement étrange, car les champs magnétiques puissants détruisent généralement l'état supraconducteur dans la grande majorité des matériaux. Dans le ditellurure d'uranium, cependant, un champ magnétique puissant couplé à des conditions expérimentales spécifiques a provoqué l'apparition de la supraconductivité de Lazarus non pas une seule fois, mais deux fois.

Pour Butch, Paglione et son équipe, la découverte de cette forme rare de supraconductivité dans le ditellurure d'uranium était un heureux hasard; l'auteur principal de l'étude, Chercheur CNAM Sheng Ran, synthétisé le cristal accidentellement en essayant de produire un autre composé à base d'uranium. L'équipe a décidé d'essayer quelques expériences de toute façon, même si les recherches précédentes sur le composé n'avaient rien donné d'inhabituel.

La curiosité de l'équipe a vite été maintes fois récompensée. Dans le précédent article de Science, les chercheurs ont rapporté que la supraconductivité du ditellurure d'uranium impliquait des configurations d'électrons inhabituelles appelées triplets de spin, dans laquelle des paires d'électrons sont alignées dans la même direction. Dans la grande majorité des supraconducteurs, les orientations - appelées spins - des électrons appariés pointent dans des directions opposées. Ces paires sont (un peu contre-intuitivement) appelées maillots. Les champs magnétiques peuvent plus facilement perturber les maillots, tuer la supraconductivité.

Supraconducteurs à triplet de spin, cependant, peut supporter des champs magnétiques beaucoup plus élevés. Les premières découvertes de l'équipe les ont conduits à la NHMFL, où une combinaison unique d'aimants à très haut champ, une instrumentation capable et une expertise résidente ont permis aux chercheurs de pousser encore plus loin le ditellurure d'uranium.

Au labo, l'équipe a testé le ditellurure d'uranium dans certains des champs magnétiques les plus élevés disponibles. En exposant le matériau à des champs magnétiques allant jusqu'à 65 teslas, soit plus de 30 fois la force d'un aimant d'IRM typique, l'équipe a tenté de trouver la limite supérieure à laquelle les champs magnétiques ont écrasé la supraconductivité du matériau. Butch et son équipe ont également expérimenté l'orientation du cristal de ditellurure d'uranium sous plusieurs angles différents par rapport à la direction du champ magnétique.

A environ 16 teslas, l'état supraconducteur du matériau a brusquement changé. Alors qu'il est mort dans la plupart des expériences, elle persistait lorsque le cristal était aligné selon un angle très précis par rapport au champ magnétique. Ce comportement inhabituel s'est poursuivi jusqu'à environ 35 teslas, à quel point toute supraconductivité a disparu et les électrons ont décalé leur alignement, entrer dans une nouvelle phase magnétique.

Alors que les chercheurs augmentaient le champ magnétique tout en continuant à expérimenter avec les angles, ils ont découvert qu'une orientation différente du cristal produisait une autre phase supraconductrice qui persistait jusqu'à au moins 65 teslas, l'intensité de champ maximale testée par l'équipe. C'était une performance record pour un supraconducteur et c'était la première fois que deux phases supraconductrices induites par le champ étaient trouvées dans le même composé.

Au lieu de tuer la supraconductivité dans le ditellurure d'uranium, des champs magnétiques élevés semblaient le stabiliser. Bien qu'il ne soit pas encore clair exactement ce qui se passe au niveau atomique, Butch a déclaré que les preuves indiquent un phénomène fondamentalement différent de tout ce que les scientifiques ont vu à ce jour.

« Je vais prendre des risques et dire que ceux-ci sont probablement différents – différents sur le plan de la mécanique quantique – des autres supraconducteurs que nous connaissons, " Butch a dit. " C'est suffisamment différent, Je pense, s'attendre à ce qu'il faille un certain temps pour comprendre ce qui se passe."

En plus de sa physique défiant les conventions, le ditellurure d'uranium montre tous les signes d'être un supraconducteur topologique, comme les autres supraconducteurs à spin triplet, Butch ajouté. Ses propriétés topologiques suggèrent qu'il pourrait être un composant particulièrement précis et robuste dans les ordinateurs quantiques du futur.

"La découverte de cette supraconductivité Lazarus à des champs record est l'une des découvertes les plus importantes de ce laboratoire en 25 ans d'histoire, ", a déclaré le directeur de la NHMFL, Greg Boebinger. "Je ne serais pas surpris si percer les mystères du ditellurure d'uranium conduisait à des manifestations encore plus étranges de la supraconductivité à l'avenir."