Dans le cadre d'un développement important dans le domaine de la supraconductivité, des chercheurs de l'Université de Manchester ont réussi à obtenir une supraconductivité robuste dans des champs magnétiques élevés en utilisant un système unidimensionnel (1D) nouvellement créé. Cette percée offre une voie prometteuse pour atteindre la supraconductivité dans le régime quantique de Hall, un défi de longue date en physique de la matière condensée.
La supraconductivité, la capacité de certains matériaux à conduire l’électricité avec une résistance nulle, recèle un énorme potentiel pour les progrès des technologies quantiques. Cependant, atteindre la supraconductivité dans le régime quantique de Hall, caractérisé par une conductance électrique quantifiée, s'est avéré être un défi de taille.
La recherche, publiée cette semaine (25 avril 2024) dans Nature , détaille les travaux approfondis de l'équipe de Manchester dirigée par le professeur André Geim, le Dr Julien Barrier et le Dr Na Xin pour obtenir la supraconductivité dans le régime quantique de Hall. Leurs efforts initiaux ont suivi la voie conventionnelle où les États périphériques se propageant à contre-courant étaient rapprochés les uns des autres. Cependant, cette approche s'est avérée limitée.
"Nos premières expériences étaient principalement motivées par le fort intérêt persistant pour la supraconductivité de proximité induite le long des états quantiques de bord de Hall", explique le Dr Barrier, l'auteur principal de l'article. "Cette possibilité a conduit à de nombreuses prédictions théoriques concernant l'émergence de nouvelles particules connues sous le nom d'anyons non abéliens."
L’équipe a ensuite exploré une nouvelle stratégie inspirée de ses travaux antérieurs démontrant que les frontières entre les domaines du graphène pourraient être hautement conductrices. En plaçant de telles parois de domaine entre deux supraconducteurs, ils ont atteint la proximité ultime souhaitée entre les états de bord contra-propagatifs tout en minimisant les effets de désordre.
"Nous avons été encouragés à observer de grands supercourants à des températures relativement douces allant jusqu'à 1 Kelvin dans chaque appareil que nous fabriquions", se souvient le Dr Barrier.
Une enquête plus approfondie a révélé que la supraconductivité de proximité ne provenait pas des états quantiques de Hall se propageant le long des parois du domaine, mais plutôt d'états électroniques strictement 1D existant à l'intérieur des parois du domaine eux-mêmes.
Ces états 1D, dont l'existence a été prouvée par le groupe théorique du professeur Vladimir Fal'ko de l'Institut national du graphène, présentaient une plus grande capacité à s'hybrider avec la supraconductivité par rapport aux états quantiques de bord de Hall. On pense que la nature unidimensionnelle inhérente des états intérieurs est responsable des supercourants robustes observés à des champs magnétiques élevés.
Cette découverte de la supraconductivité 1D monomode ouvre des pistes passionnantes pour des recherches ultérieures. "Dans nos appareils, les électrons se propagent dans deux directions opposées dans le même espace nanométrique et sans diffusion", précise le Dr Barrier. "De tels systèmes 1D sont exceptionnellement rares et prometteurs pour résoudre un large éventail de problèmes de physique fondamentale."
L'équipe a déjà démontré la capacité de manipuler ces états électroniques à l'aide de la tension de grille et d'observer les ondes électroniques stationnaires qui modulaient les propriétés supraconductrices.
"Il est fascinant de penser à ce que ce nouveau système peut nous apporter dans le futur. La supraconductivité 1D présente une voie alternative vers la réalisation de quasiparticules topologiques combinant l'effet Hall quantique et la supraconductivité", conclut le Dr Xin. "Ce n'est qu'un exemple du vaste potentiel de nos découvertes."
Cette recherche menée par l'Université de Manchester, 20 ans après l'avènement du premier matériau graphène 2D, représente une nouvelle avancée dans le domaine de la supraconductivité. Le développement de ce nouveau supraconducteur 1D devrait ouvrir la porte aux progrès des technologies quantiques et ouvrir la voie à une exploration plus approfondie de la nouvelle physique, suscitant l'intérêt de diverses communautés scientifiques.
Plus d'informations : Andre Geim, Supraconductivité de proximité unidimensionnelle dans le régime quantique de Hall, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07271-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07271-w
Informations sur le journal : Nature
Fourni par l'Université de Manchester
