Les électrons d'un solide occupent des bandes d'énergie distinctes séparées par des lacunes. Les bandes interdites énergétiques sont un "no man's land" électronique, " une gamme d'énergie où aucun électron n'est autorisé. Maintenant, scientifiques étudiant un composé contenant du fer, tellure, et le sélénium ont découvert qu'une bande interdite d'énergie s'ouvre à un point où deux bandes d'énergie autorisées se croisent à la surface du matériau. Ils ont observé ce comportement électronique inattendu lorsqu'ils ont refroidi le matériau et sondé sa structure électronique avec une lumière laser. Leurs découvertes, signalé dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , pourrait avoir des implications pour l'avenir de la science de l'information quantique et de l'électronique.

Le composé particulier appartient à la famille des supraconducteurs à haute température à base de fer, qui ont été initialement découverts en 2008. Ces matériaux non seulement conduisent l'électricité sans résistance à des températures relativement plus élevées (mais toujours très froides) que les autres classes de supraconducteurs, mais présentent également des propriétés magnétiques.

"Pour un moment, les gens pensaient que la supraconductivité et le magnétisme fonctionneraient l'un contre l'autre, " a déclaré le premier auteur Nader Zaki, un associé scientifique dans le groupe de spectroscopie électronique de la division de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux (CMPMS) au laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE). "Nous avons exploré un matériau où les deux se développent en même temps."

Outre la supraconductivité et le magnétisme, certains supraconducteurs à base de fer ont les bonnes conditions pour héberger des états de surface « topologiques ». L'existence de ces états électroniques uniques, localisés en surface (ils n'existent pas dans la masse du matériau), reflète de fortes interactions entre le spin d'un électron et son mouvement orbital autour du noyau d'un atome.

"Quand vous avez un supraconducteur avec des propriétés de surface topologiques, vous êtes enthousiasmé par la possibilité d'une supraconductivité topologique, " a déclaré l'auteur correspondant Peter Johnson, chef du groupe de spectroscopie électronique. "La supraconductivité topologique est potentiellement capable de supporter les fermions de Majorana, qui pourraient servir de qubits, les blocs de construction de stockage d'informations des ordinateurs quantiques."

Les ordinateurs quantiques promettent des accélérations considérables pour des calculs qui prendraient un temps peu pratique ou seraient impossibles sur les ordinateurs traditionnels. L'un des défis pour réaliser l'informatique quantique pratique est que les qubits sont très sensibles à leur environnement. De petites interactions leur font perdre leur état quantique et ainsi les informations stockées sont perdues. La théorie prédit que les fermions de Majorana (quasiparticules recherchées) existant dans les états de surface topologiques supraconducteurs sont immunisés contre les perturbations environnementales, ce qui en fait une plate-forme idéale pour les qubits robustes.

Considérant les supraconducteurs à base de fer comme une plate-forme pour une gamme de phénomènes exotiques et potentiellement importants, Zaki, Johnson, et leurs collègues ont entrepris de comprendre les rôles de la topologie, supraconductivité et magnétisme.

Le physicien principal de la division CMPMS, Genda Gu, a d'abord cultivé des monocristaux de haute qualité du composé à base de fer. Puis, Zaki a cartographié la structure de bande électronique du matériau par spectroscopie de photoémission laser. Lorsque la lumière d'un laser est focalisée sur un petit point du matériau, les électrons de la surface sont "expulsés" (c'est-à-dire, photoémis). L'énergie et la quantité de mouvement de ces électrons peuvent alors être mesurées.

Quand ils ont baissé la température, quelque chose de surprenant s'est produit.

"Le matériau est devenu supraconducteur, comme on s'y attendait, et nous avons vu un trou supraconducteur associé à cela, ", a déclaré Zaki. "Mais ce à quoi nous ne nous attendions pas, c'est l'état de surface topologique ouvrant un deuxième écart au point de Dirac. Vous pouvez imaginer la structure des bandes d'énergie de cet état de surface sous la forme d'un sablier ou de deux cônes attachés à leur sommet. L'intersection de ces cônes s'appelle le point de Dirac."

Comme Johnson et Zaki l'ont expliqué, lorsqu'une brèche se creuse à la pointe de Dirac, c'est la preuve que la symétrie d'inversion du temps a été brisée. La symétrie d'inversion du temps signifie que les lois de la physique sont les mêmes, que vous regardiez un système avancer ou reculer dans le temps, ce qui revient à rembobiner une vidéo et à voir la même séquence d'événements se dérouler à l'envers. Mais sous l'inversion du temps, les spins des électrons changent de direction et brisent cette symétrie. Ainsi, l'un des moyens de briser la symétrie d'inversion du temps est de développer le magnétisme, en particulier, ferromagnétisme, un type de magnétisme où tous les spins des électrons s'alignent de manière parallèle.

"Le système passe à l'état supraconducteur et apparemment le magnétisme se développe, " a déclaré Johnson. "Nous devons supposer que le magnétisme est dans la région de la surface car sous cette forme, il ne peut pas coexister dans la masse. Cette découverte est passionnante car le matériau a beaucoup de physique différente :supraconductivité, topologie, et maintenant le magnétisme. J'aime dire que c'est un guichet unique. Comprendre comment ces phénomènes surviennent dans le matériau pourrait fournir une base pour de nombreuses directions technologiques nouvelles et passionnantes. »

Comme indiqué précédemment, la supraconductivité du matériau et les forts effets spin-orbite pourraient être exploités pour les technologies de l'information quantique. Alternativement, le magnétisme du matériau et les fortes interactions spin-orbite pourraient permettre le transport sans dissipation (aucune perte d'énergie) du courant électrique dans l'électronique. Cette capacité pourrait être mise à profit pour développer des appareils électroniques qui consomment peu d'énergie.

Co-auteurs Alexei Tsvelik, scientifique principal et chef de groupe du groupe de théorie de la matière condensée de la division CMPMS, et Congjun Wu, professeur de physique à l'Université de Californie, San Diego, a fourni des informations théoriques sur la façon dont la symétrie d'inversion du temps est brisée et le magnétisme provient de la région de la surface.

"Cette découverte révèle non seulement des liens profonds entre les états supraconducteurs topologiques et la magnétisation spontanée, mais fournit également des informations importantes sur la nature des fonctions d'espace supraconducteur dans les supraconducteurs à base de fer - un problème exceptionnel dans l'étude des supraconducteurs non conventionnels fortement corrélés, " dit Wu.

Dans une étude distincte avec d'autres collaborateurs de la division CMPMS, l'équipe expérimentale examine comment différentes concentrations des trois éléments dans l'échantillon contribuent aux phénomènes observés. Apparemment, le tellure est nécessaire pour les effets topologiques, trop de fer tue la supraconductivité, et le sélénium améliore la supraconductivité.

Dans les expériences de suivi, l'équipe espère vérifier la rupture de la symétrie d'inversion du temps avec d'autres méthodes et explorer comment la substitution d'éléments dans le composé modifie son comportement électronique.

« En tant que scientifiques des matériaux, nous aimons modifier les ingrédients du mélange pour voir ce qui se passe, " a déclaré Johnson. " Le but est de comprendre comment la supraconductivité, topologie, et le magnétisme interagissent dans ces matériaux complexes."