Une nouvelle fusion de matériaux, chacun doté de propriétés électriques particulières, possède tous les composants requis pour un type unique de supraconductivité qui pourrait servir de base à une informatique quantique plus robuste. La nouvelle combinaison de matériaux, créée par une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State, pourrait également fournir une plate-forme pour explorer des comportements physiques similaires à ceux de mystérieuses particules théoriques connues sous le nom de Majoranas chirales, ce qui pourrait être un autre composant prometteur pour l'informatique quantique. /P>

La nouvelle étude apparaît dans la revue Science . Le travail décrit comment les chercheurs ont combiné les deux matériaux magnétiques dans ce qu'ils ont appelé une étape critique vers la réalisation de la supraconductivité interfaciale émergente, sur laquelle ils travaillent actuellement.

Les supraconducteurs (matériaux sans résistance électrique) sont largement utilisés dans les circuits numériques, les puissants aimants de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et les accélérateurs de particules, ainsi que dans d'autres technologies où maximiser le flux d'électricité est crucial.

Lorsque les supraconducteurs sont combinés avec des matériaux appelés isolants topologiques magnétiques (des films minces de seulement quelques atomes d'épaisseur qui ont été rendus magnétiques et limitent le mouvement des électrons à leurs bords), les nouvelles propriétés électriques de chaque composant travaillent ensemble pour produire des « supraconducteurs topologiques chiraux ».

La topologie, ou les géométries et symétries spécialisées de la matière, génère des phénomènes électriques uniques dans le supraconducteur, qui pourraient faciliter la construction d'ordinateurs quantiques topologiques.

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel d'effectuer des calculs complexes en une fraction du temps nécessaire aux ordinateurs traditionnels car, contrairement aux ordinateurs traditionnels qui stockent les données sous forme de un ou de zéro, les bits quantiques des ordinateurs quantiques stockent les données simultanément dans une gamme d'états possibles.

Les ordinateurs quantiques topologiques améliorent encore l'informatique quantique en tirant parti de la façon dont les propriétés électriques sont organisées pour rendre les ordinateurs robustes à la décohérence, ou à la perte d'informations qui se produit lorsqu'un système quantique n'est pas parfaitement isolé.

"La création de supraconducteurs topologiques chiraux est une étape importante vers le calcul quantique topologique qui pourrait être étendu à une large utilisation", a déclaré Cui-Zu Chang, professeur en début de carrière Henry W. Knerr et professeur agrégé de physique à Penn State et auteur co-correspondant de le papier.

"La supraconductivité topologique chirale nécessite trois ingrédients :la supraconductivité, le ferromagnétisme et une propriété appelée ordre topologique. Dans cette étude, nous avons produit un système avec ces trois propriétés."

Les chercheurs ont utilisé une technique appelée épitaxie par jet moléculaire pour empiler un isolant topologique rendu magnétique et un chalcogénure de fer (FeTe), un métal de transition prometteur pour exploiter la supraconductivité. L'isolant topologique est un ferromagnétique, un type d'aimant dont les électrons tournent de la même manière, tandis que FeTe est un antiferromagnétique, dont les électrons tournent dans des directions alternées.

Les chercheurs ont utilisé diverses techniques d'imagerie et d'autres méthodes pour caractériser la structure et les propriétés électriques du matériau combiné résultant et ont confirmé la présence des trois composants critiques de la supraconductivité topologique chirale à l'interface entre les matériaux.

Des travaux antérieurs dans ce domaine se sont concentrés sur la combinaison de supraconducteurs et d’isolants topologiques non magnétiques. Selon les chercheurs, l'ajout de ferromagnétique a été particulièrement difficile.

"Normalement, la supraconductivité et le ferromagnétisme sont en concurrence, il est donc rare de trouver une supraconductivité robuste dans un système de matériaux ferromagnétiques", a déclaré Chao-Xing Liu, professeur de physique à Penn State et co-auteur correspondant de l'article.

"Mais la supraconductivité de ce système est en réalité très résistante au ferromagnétisme. Il faudrait un champ magnétique très puissant pour supprimer la supraconductivité."

L'équipe de recherche étudie toujours pourquoi la supraconductivité et le ferromagnétisme coexistent dans ce système.

"C'est en fait assez intéressant car nous avons deux matériaux magnétiques non supraconducteurs, mais nous les avons assemblés et l'interface entre ces deux composés produit une supraconductivité très robuste", a déclaré Chang.

"Le chalcogénure de fer est antiferromagnétique, et nous prévoyons que sa propriété antiferromagnétique est affaiblie autour de l'interface pour donner naissance à la supraconductivité émergente, mais nous avons besoin de plus d'expériences et de travaux théoriques pour vérifier si cela est vrai et clarifier le mécanisme supraconducteur."

Les chercheurs ont déclaré qu'ils pensaient que ce système serait utile dans la recherche de systèmes matériels présentant des comportements similaires à ceux des particules Majorana, des particules subatomiques théoriques émises pour la première fois en 1937. Les particules Majorana agissent comme leur propre antiparticule, une propriété unique qui pourrait potentiellement leur permettre d'être utilisé comme bits quantiques dans les ordinateurs quantiques.

"Fournir des preuves expérimentales de l'existence du Majorana chiral constituera une étape cruciale dans la création d'un ordinateur quantique topologique", a déclaré Chang. "Notre domaine a connu un passé mouvementé en essayant de trouver ces particules insaisissables, mais nous pensons qu'il s'agit d'une plate-forme prometteuse pour explorer la physique de Majorana."

Plus d'informations : Hemian Yi et al, Supraconductivité induite par l'interface dans les isolants topologiques magnétiques, Science (2024). DOI :10.1126/science.adk1270. www.science.org/doi/10.1126/science.adk1270

Informations sur le journal : Sciences

Fourni par l'Université d'État de Pennsylvanie