Des chercheurs de Princeton ont découvert des courants supraconducteurs voyageant le long des bords extérieurs d'un supraconducteur avec des propriétés topologiques, suggérant une voie vers la supraconductivité topologique qui pourrait être utile dans les futurs ordinateurs quantiques. La supraconductivité est représentée par le centre noir du diagramme indiquant l'absence de résistance au passage du courant. Le motif irrégulier indique l'oscillation de la supraconductivité qui varie avec la force d'un champ magnétique appliqué. Crédit :Stephan Kim, université de Princeton
Une découverte qui a longtemps échappé aux physiciens a été détectée dans un laboratoire de Princeton. Une équipe de physiciens a détecté des courants supraconducteurs - le flux d'électrons sans gaspillage d'énergie - le long du bord extérieur d'un matériau supraconducteur. La découverte a été publiée dans le numéro du 1er mai de la revue Science .
Le supraconducteur que les chercheurs ont étudié est aussi un semi-métal topologique, un matériau qui possède ses propres propriétés électroniques inhabituelles. La découverte suggère des moyens de débloquer une nouvelle ère de "supraconductivité topologique" qui pourrait avoir une valeur pour l'informatique quantique.
"A notre connaissance, c'est la première observation d'un supercourant de bord dans n'importe quel supraconducteur, " dit Nai Phuan Ong, Eugene Higgins, professeur de physique de Princeton et auteur principal de l'étude.
"Notre question motivante était, Que se passe-t-il lorsque l'intérieur du matériau n'est pas un isolant mais un supraconducteur ?" a déclaré Ong. "Quelles nouvelles caractéristiques apparaissent lorsque la supraconductivité se produit dans un matériau topologique ?"
Bien que les supraconducteurs conventionnels soient déjà largement utilisés dans l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et les lignes de transmission à longue distance, de nouveaux types de supraconductivité pourraient libérer la capacité d'aller au-delà des limites de nos technologies familières.
Des chercheurs de Princeton et d'ailleurs ont exploré les liens entre la supraconductivité et les isolants topologiques, des matériaux dont les comportements électroniques non conformes ont fait l'objet du prix Nobel de physique 2016 pour F. Duncan Haldane, Professeur de physique de l'Université Sherman Fairchild de Princeton.
Les isolants topologiques sont des cristaux qui ont un intérieur isolant et une surface conductrice, comme un brownie enveloppé dans du papier d'aluminium. Dans les matériaux conducteurs, les électrons peuvent sauter d'atome en atome, permettant au courant électrique de circuler. Les isolants sont des matériaux dans lesquels les électrons sont coincés et ne peuvent pas bouger. Pourtant curieusement, les isolants topologiques permettent le mouvement des électrons à leur surface mais pas à leur intérieur.
Pour explorer la supraconductivité dans les matériaux topologiques, les chercheurs se sont tournés vers un matériau cristallin appelé ditellurure de molybdène, qui a des propriétés topologiques et est également un supraconducteur une fois que la température descend en dessous de 100 milliKelvin glacial, qui est de -459 degrés Fahrenheit.
"La plupart des expériences réalisées jusqu'à présent ont consisté à essayer d'"injecter" de la supraconductivité dans des matériaux topologiques en plaçant l'un à proximité de l'autre, " a déclaré Stéphane Kim, un étudiant diplômé en génie électrique, qui a mené de nombreuses expériences. "Ce qui est différent dans notre mesure, c'est que nous n'avons pas injecté de supraconductivité et pourtant nous avons pu montrer les signatures des états de bord."
L'équipe a d'abord fait pousser des cristaux en laboratoire, puis les a refroidis à une température où la supraconductivité se produit. Ils ont ensuite appliqué un champ magnétique faible tout en mesurant le flux de courant à travers le cristal. Ils ont observé qu'une quantité appelée le courant critique affiche des oscillations, qui apparaissent comme un motif en dents de scie, à mesure que le champ magnétique augmente.
Tant la hauteur des oscillations que la fréquence des oscillations correspondent aux prédictions de la manière dont ces fluctuations résultent du comportement quantique des électrons confinés aux bords des matériaux.
Les chercheurs savent depuis longtemps que la supraconductivité apparaît lorsque les électrons, qui se déplacent normalement au hasard, se lier par deux pour former des paires de Cooper, qui en quelque sorte dansent sur le même rythme. "Une analogie approximative est qu'un milliard de couples exécutent la même chorégraphie de danse étroitement scénarisée, " dit Ong.
Le script que suivent les électrons s'appelle la fonction d'onde du supraconducteur, qui peut être considéré grossièrement comme un ruban tendu le long du fil supraconducteur, dit Ong. Une légère torsion de la fonction d'onde oblige toutes les paires de Cooper dans un long fil à se déplacer avec la même vitesse qu'un "superfluide" - en d'autres termes agissant comme une collection unique plutôt que comme des particules individuelles - qui s'écoule sans produire de chaleur.
S'il n'y a pas de torsions le long du ruban, Ong a dit, toutes les paires de Cooper sont stationnaires et aucun courant ne circule. Si les chercheurs exposent le supraconducteur à un faible champ magnétique, cela ajoute une contribution supplémentaire à la torsion que les chercheurs appellent le flux magnétique, lequel, pour les très petites particules telles que les électrons, suit les règles de la mécanique quantique.
Les chercheurs ont anticipé que ces deux contributeurs au nombre de torsions, la vitesse superfluide et le flux magnétique, travailler ensemble pour maintenir le nombre de torsions comme un entier exact, un nombre entier tel que 2, 3 ou 4 plutôt qu'un 3.2 ou un 3.7. Ils ont prédit que lorsque le flux magnétique augmente progressivement, la vitesse superfluide augmenterait en dents de scie à mesure que la vitesse superfluide s'ajusterait pour annuler le 0,2 supplémentaire ou ajouter 0,3 pour obtenir un nombre exact de torsions.
L'équipe a mesuré le courant superfluide en faisant varier le flux magnétique et a constaté qu'en effet le motif en dents de scie était visible.
Dans le ditellurure de molybdène et d'autres semi-métaux dits de Weyl, cet appariement de Cooper d'électrons dans la masse semble induire un appariement similaire sur les bords.
Les chercheurs ont noté que la raison pour laquelle le supercourant de bord reste indépendant du supercourant de masse n'est actuellement pas bien comprise. Ong a comparé les électrons se déplaçant collectivement, aussi appelés condensats, aux flaques de liquide.
« D'après les attentes classiques, on s'attendrait à ce que deux flaques fluides qui sont en contact direct fusionnent en une seule, " Dit Ong. " Pourtant, l'expérience montre que les condensats de bord restent distincts de ceux de la masse du cristal. "
L'équipe de recherche spécule que le mécanisme qui empêche les deux condensats de se mélanger est la protection topologique héritée des états de bord protégés dans le molybdène ditellurure. Le groupe espère appliquer la même technique expérimentale pour rechercher des supercourants de bord dans d'autres supraconducteurs non conventionnels.
"Il y en a probablement des dizaines là-bas, " dit Ong.
L'étude, "Preuve d'un supercourant de bord dans le supraconducteur de Weyl MoTe2, " par Wudi Wang, Stéphane Kim, Minhao Liu, F.A. Cevallos, Robert. J. Cava et Nai Phuan Ong, a été publié dans la revue Science le 1er mai 2020.
