Un dispositif qui peut séparer et recombiner des paires d'électrons peut offrir un moyen d'étudier une forme inhabituelle de supraconductivité, selon les physiciens de RIKEN. Cet état supraconducteur impliquerait des particules exotiques appelées fermions de Majorana qui pourraient s'avérer utiles dans le développement d'ordinateurs quantiques.

Dans les supraconducteurs conventionnels, le courant électrique circule sans résistance en raison de l'association des électrons pour former des «paires de Cooper». Un supraconducteur touchant un conducteur normal peut parfois induire une supraconductivité dans ce conducteur à travers des paires de Cooper du supraconducteur pénétrant dans le conducteur normal.

Maintenant, Sadashige Matsuo du RIKEN Center for Emergent Matter Science et ses collègues ont créé un dispositif appelé jonction Josephson, qui peut séparer efficacement ces paires de Cooper lorsqu'elles se déplacent d'un supraconducteur en deux conducteurs normaux unidimensionnels (Fig. 1). Précédemment, la plupart des recherches sur la séparation des paires de Cooper ont été effectuées à l'aide de « points quantiques » de dimension zéro connectés par des supraconducteurs.

L'appareil avait deux électrodes en aluminium, qui deviennent supraconducteurs lorsqu'ils sont refroidis à seulement 1/20e de degré au-dessus du zéro absolu. Les électrodes sont pontées par deux nanofils semi-conducteurs. L'équipe a réussi à séparer efficacement les paires de Cooper lorsque les électrons ont voyagé dans les nanofils sans être dispersés par des objets tels que des points quantiques. Cela contraste avec les études précédentes.

Comme les paires de Cooper voyagent entre les électrodes supraconductrices, ils peuvent soit se coller les uns aux autres et voyager le long d'un seul nanofil conducteur, un effet connu sous le nom de tunneling de paire locale, ou ils peuvent se séparer de sorte que chaque électron traverse un nanofil différent. Malgré leur séparation physique, les deux électrons sont connectés via un effet appelé intrication quantique.

En ajustant finement la tension qui contrôlait le flux d'électrons, l'équipe a veillé à ce que plus de la moitié des paires de Cooper se séparent lorsqu'elles voyagent à travers les nanofils, prouvant que le dispositif pouvait supprimer l'effet tunnel des paires locales (en raison des interactions électron-électron dans les nanofils). En arrivant de l'autre côté, les électrons se sont recombinés en paires de Cooper. Les chercheurs ont également découvert que l'application d'un champ magnétique réduisait la séparation des paires de Cooper plus que le tunnelage des paires locales.

Ces résultats indiquent que le dispositif pourrait être utilisé pour générer ce que l'on appelle un état supraconducteur topologique, dans laquelle la superposition d'un électron et d'un trou génère des fermions de Majorana, un type particulier de particule qui équivaut à sa propre antiparticule. Les fermions de Majorana sont intéressants car ils pourraient être utilisés comme des « bits » quantiques qui transportent des informations dans certains types d'ordinateurs quantiques, qui promettent d'avoir une puissance de traitement bien supérieure à ce que permettent les technologies conventionnelles.

"Notre prochaine étape consiste à rechercher les empreintes digitales des fermions de Majorana dans les jonctions supraconductrices d'un double nanofil, " dit Matsuo.