Dans le domaine quantique, les électrons peuvent se regrouper pour se comporter de manière intéressante. Le magnétisme est l'un de ces comportements que nous voyons dans notre vie de tous les jours, tout comme les phénomènes plus rares de la supraconductivité. Curieusement, ces deux comportements sont souvent antagonistes, ce qui signifie que l'existence de l'un détruit souvent l'autre. Cependant, si ces deux états quantiques opposés sont forcés de coexister artificiellement, un état insaisissable appelé supraconducteur topologique apparaît, ce qui est passionnant pour les chercheurs qui essaient de faire des qubits topologiques.

Les qubits topologiques sont passionnants comme l'une des technologies potentielles pour les futurs ordinateurs quantiques. En particulier, les qubits topologiques fournissent la base de l'informatique quantique topologique, ce qui est intéressant car beaucoup moins sensible aux interférences de son environnement perturbant les mesures. Cependant, la conception et le contrôle des qubits topologiques est resté un problème critique ouvert, finalement en raison de la difficulté de trouver des matériaux capables d'accueillir ces états, comme les supraconducteurs topologiques.

Pour surmonter le caractère insaisissable des supraconducteurs topologiques, qui sont remarquablement difficiles à trouver dans les matériaux naturels, les physiciens ont développé des méthodologies pour concevoir ces états en combinant des matériaux communs. Les ingrédients de base pour concevoir des supraconducteurs topologiques – le magnétisme et la supraconductivité – nécessitent souvent la combinaison de matériaux radicalement différents. Quoi de plus, créer un matériau supraconducteur topologique nécessite de pouvoir régler finement le magnétisme et la supraconductivité, les chercheurs doivent donc prouver que leur matériau peut être à la fois magnétique et supraconducteur, et qu'ils peuvent contrôler les deux propriétés. Dans leur recherche d'un tel matériau, les chercheurs se sont tournés vers le graphène.

Le graphène, une seule couche d'atomes de carbone, représente un matériau commun hautement contrôlable et a été élevé comme l'un des matériaux critiques pour les technologies quantiques. Cependant, la coexistence du magnétisme et de la supraconductivité est restée insaisissable dans le graphène, malgré des efforts expérimentaux de longue date qui ont démontré l'existence de ces deux états indépendamment. Cette limitation fondamentale représente un obstacle critique au développement de la supraconductivité topologique artificielle dans le graphène.

Dans une récente expérience révolutionnaire, chercheurs à l'UAM en Espagne, CNRS en France, et INL au Portugal, avec le soutien théorique du professeur Jose Lado de l'Université Aalto, ont démontré une première étape sur une voie vers des qubits topologiques dans le graphène. Les chercheurs ont démontré que des couches simples de graphène peuvent héberger simultanément du magnétisme et de la supraconductivité, en mesurant les excitations quantiques propres à cette interaction. Cette découverte révolutionnaire a été réalisée en combinant le magnétisme des domaines cristallins du graphène, et la supraconductivité des îlots métalliques déposés.

"Cette expérience montre que deux ordres quantiques paradigmatiques clés, supraconductivité, et le magnétisme, peuvent coexister simultanément dans le graphène, " a déclaré le professeur José Lado, "Finalement, cette expérience démontre que le graphène peut héberger simultanément les ingrédients nécessaires à la supraconductivité topologique. Alors que dans l'expérience actuelle, nous n'avons pas encore observé de supraconductivité topologique, en nous appuyant sur cette expérience, nous pouvons potentiellement ouvrir une nouvelle voie vers des qubits topologiques basés sur le carbone. »

Les chercheurs ont induit la supraconductivité dans le graphène en déposant un îlot d'un supraconducteur conventionnel près des joints de grains, formant naturellement des coutures dans le graphène qui ont des propriétés magnétiques légèrement différentes du reste du matériau. Il a été démontré que la supraconductivité et le magnétisme aux joints de grains donnent naissance aux états Yu-Shiba-Rusinov, qui ne peut exister dans un matériau que lorsque le magnétisme et la supraconductivité coexistent. Les phénomènes observés par l'équipe dans l'expérience correspondaient au modèle théorique développé par le professeur Lado, montrant que les chercheurs peuvent contrôler totalement les phénomènes quantiques dans leur système hybride de conception.

La démonstration des états Yu-Shiba-Rusinov dans le graphène est la première étape vers le développement ultime de qubits topologiques basés sur le graphène. En particulier, en contrôlant soigneusement les États Yu-Shiba-Rusinov, la supraconductivité topologique et les états de Majorana peuvent être créés. Les qubits topologiques basés sur les états de Majorana peuvent potentiellement surmonter les limitations des qubits actuels, protéger l'information quantique en exploitant la nature de ces états non conventionnels. L'émergence de ces états nécessite un contrôle minutieux des paramètres du système. L'expérience actuelle établit le point de départ critique vers cet objectif, sur laquelle on peut s'appuyer pour ouvrir, espérons-le, une voie perturbatrice vers les ordinateurs quantiques topologiques à base de carbone.