Les scientifiques ont caractérisé comment les états électroniques dans un composé contenant du fer, tellure, et le sélénium dépendent des concentrations chimiques locales. Ils ont découvert que la supraconductivité (conduire l'électricité sans résistance), avec des corrélations magnétiques distinctes, apparaît lorsque la concentration locale de fer est suffisamment faible; un état électronique coexistant n'existant qu'en surface (état de surface topologique) apparaît lorsque la concentration en tellure est suffisamment élevée. Signalé dans Matériaux naturels , leurs découvertes indiquent la gamme de composition nécessaire pour la supraconductivité topologique. La supraconductivité topologique pourrait permettre une informatique quantique plus robuste, qui promet de fournir des augmentations exponentielles de la puissance de traitement.

"L'informatique quantique n'en est qu'à ses balbutiements, et l'un des principaux défis est de réduire le taux d'erreur des calculs, " a déclaré le premier auteur Yangmu Li, un post-doctorant dans le groupe de diffusion des neutrons de la division Physique de la matière condensée et science des matériaux (CMPMS) au laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE). "Les erreurs surviennent sous forme de qubits, ou bits d'information quantique, interagir avec leur environnement. Cependant, contrairement aux ions piégés ou aux qubits à l'état solide tels que les défauts ponctuels du diamant, les qubits supraconducteurs topologiques sont intrinsèquement protégés d'une partie du bruit. Par conséquent, ils pourraient prendre en charge des calculs moins sujets aux erreurs. La question est, où trouver la supraconductivité topologique ?

Dans cette étude, les scientifiques ont restreint la recherche à un composé connu pour héberger des états de surface topologiques et faisant partie de la famille des supraconducteurs à base de fer. Dans ce composé, les états topologiques et supraconducteurs ne sont pas répartis uniformément sur la surface. Comprendre ce qui se cache derrière ces variations d'états électroniques et comment les contrôler est essentiel pour permettre des applications pratiques telles que l'informatique quantique à protection topologique.

D'après des recherches antérieures, l'équipe savait que la modification de la quantité de fer pouvait faire passer le matériau d'un état supraconducteur à un état non supraconducteur. Pour cette étude, le physicien Gendu Gu de la division CMPMS a fait croître deux types de gros monocristaux, l'un avec un peu plus de fer par rapport à l'autre. L'échantillon avec la teneur en fer la plus élevée est non supraconducteur; l'autre échantillon est supraconducteur.

Pour comprendre si la disposition des électrons dans la masse du matériau variait entre les échantillons supraconducteurs et non supraconducteurs, l'équipe s'est tournée vers la diffusion des neutrons à spin polarisé. La source de neutrons de spallation (SNS), situé au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE, abrite un instrument unique en son genre pour exécuter cette technique.

"La diffusion des neutrons peut nous indiquer les moments magnétiques, ou tourne, des électrons et la structure atomique d'un matériau, " a expliqué l'auteur correspondant, Igor Zaliznyak, un physicien du groupe de diffusion des neutrons de la division CMPMS qui a dirigé l'équipe de Brookhaven qui a aidé à concevoir et à installer l'instrument avec des collaborateurs à Oak Ridge. "Afin de distinguer les propriétés magnétiques des électrons, nous polarisons les neutrons à l'aide d'un miroir qui ne reflète qu'une seule direction de spin spécifique."

A leur grande surprise, les scientifiques ont observé des modèles radicalement différents de moments magnétiques des électrons dans les deux échantillons. Par conséquent, la légère altération de la quantité de fer a provoqué un changement d'état électronique.

"Après avoir vu ce changement dramatique, nous avons pensé que nous devrions regarder la distribution des états électroniques en fonction de la composition chimique locale, " a déclaré Zaliznyak.

Au Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) de Brookhaven, Li, avec le soutien des membres du personnel du CFN Fernando Camino et Gwen Wright, déterminé la composition chimique de petits morceaux représentatifs des deux types d'échantillons par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie. Dans cette technique, un échantillon est bombardé d'électrons, et les rayons X émis caractéristiques de différents éléments sont détectés. Ils ont également mesuré la résistance électrique locale - qui indique avec quelle cohérence les électrons peuvent transporter des charges - avec des sondes électriques microscopiques. Pour chaque cristal, Li a défini une petite grille carrée (100 par 100 microns). Au total, l'équipe a cartographié la composition locale et la résistance à plus de 2, 000 emplacements différents.

« A travers les expérimentations au CFN, nous avons caractérisé la chimie et les propriétés de conduction globale des électrons, " a déclaré Zaliznyak. "Mais nous devons également caractériser les propriétés électroniques microscopiques, ou comment les électrons se propagent dans le matériau, que ce soit en vrac ou en surface. La supraconductivité induite dans les électrons se propageant à la surface peut héberger des objets topologiques appelés modes de Majorana, qui sont en théorie l'un des meilleurs moyens d'effectuer des calculs quantiques. Des informations sur les propriétés électroniques en vrac et de surface peuvent être obtenues par spectroscopie de photoémission. »

Pour les expériences de spectroscopie de photoémission, Zaliznyak et Li ont contacté Peter Johnson, chef du groupe de spectroscopie électronique de la division CMPMS, et Nader Zaki, un associé scientifique dans le groupe de Johnson. En mesurant l'énergie et la quantité de mouvement des électrons éjectés des échantillons (en utilisant la même grille spatiale) en réponse à la lumière, ils ont quantifié les forces des états électroniques se propageant à la surface, en gros, et former l'état supraconducteur. Ils ajustent quantitativement les spectres de photoémission à un modèle qui caractérise les forces de ces états.

Puis, l'équipe a cartographié les forces de l'état électronique en fonction de la composition locale, essentiellement la construction d'un diagramme de phase.

"Ce diagramme de phase comprend les transitions de phase supraconductrices et topologiques et indique où nous pourrions trouver une composition chimique utile pour les matériaux de calcul quantique, " dit Li. " Pour certaines compositions, aucun état électronique cohérent n'existe pour développer la supraconductivité topologique. Dans les études précédentes, les gens pensaient qu'une défaillance de l'instrument ou une erreur de mesure était la raison pour laquelle ils ne voyaient pas les caractéristiques de la supraconductivité topologique. Ici, nous montrons que cela est dû aux états électroniques eux-mêmes."

"Lorsque le matériau est proche de la transition entre l'état topologique et non topologique, vous pouvez vous attendre à des fluctuations, " a ajouté Zaliznyak. " Pour que la topologie se pose, les états électroniques doivent être bien développés et cohérents. Donc, d'un point de vue technologique, nous devons synthétiser des matériaux loin de la ligne de transition."

Prochain, les scientifiques élargiront le diagramme de phase pour explorer la plage de composition dans la direction topologique, en se concentrant sur des échantillons contenant moins de sélénium et plus de tellure. Ils envisagent également d'appliquer la diffusion des neutrons pour comprendre un écart d'énergie inattendu (une plage d'énergie où aucun électron n'est autorisé) s'ouvrant dans l'état de surface topologique du même composé. Le groupe de Johnson a récemment découvert cet écart et a émis l'hypothèse qu'il était causé par le magnétisme de surface.