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Le travail a des applications potentielles dans l’informatique quantique, et présente une nouvelle façon de sonder les secrets de la supraconductivité.
AVEC des physiciens et collègues ont démontré une forme exotique de supraconductivité dans un nouveau matériau que l’équipe a synthétisé il y a seulement un an environ. Bien que prévu dans les années 1960, ce type de supraconductivité s’est avéré jusqu’à présent difficile à stabiliser. De plus, les scientifiques ont découvert que le même matériau peut potentiellement être manipulé pour présenter une autre forme tout aussi exotique de supraconductivité.
Les travaux ont été rapportés dans le numéro du 3 novembre 2021 de la revue La nature.
La démonstration de la supraconductivité à impulsion finie dans un cristal en couches connu sous le nom de super-réseau naturel signifie que le matériau peut être modifié pour créer différents modèles de supraconductivité dans le même échantillon. Et cela, à son tour, pourrait avoir des implications pour l’informatique quantique et plus encore.
Le matériau devrait également devenir un outil important pour percer les secrets des supraconducteurs non conventionnels. Cela peut être utile pour les nouvelles technologies quantiques. Concevoir de telles technologies est un défi, en partie parce que les matériaux qui les composent peuvent être difficiles à étudier. Le nouveau matériau pourrait simplifier ces recherches car, entre autres, il est relativement facile à fabriquer.
Diagramme illustrant trois modèles différents de supraconductivité réalisés dans un nouveau matériau synthétisé au MIT. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation du laboratoire Checkelsky
« Un thème important de notre recherche est que la nouvelle physique provient de nouveaux matériaux », déclare Joseph Checkelsky, chercheur principal principal du travail et professeur agrégé de physique Mitsui Career Development. « Notre rapport initial de l’année dernière portait sur ce nouveau matériau. Ce nouveau travail rend compte de la nouvelle physique.
Les co-auteurs de Checkelsky sur l’article actuel incluent l’auteur principal Aravind Devarakonda PhD ’21, qui est maintenant à Université de Columbia. Le travail était une partie centrale de la thèse de Devarakonda. Les co-auteurs sont Takehito Suzuki, un ancien chercheur au MIT maintenant à l’Université de Toho au Japon ; Shiang Fang, post-doctorant au département de physique du MIT ; Junbo Zhu, un étudiant diplômé du MIT en physique ; David Graf du Laboratoire national de champ magnétique élevé ; Markus Kriener du RIKEN Center for Emergent Matter Science au Japon ; Liang Fu, professeur agrégé de physique au MIT ; et Efthimios Kaxiras de l’Université Harvard.
Nouveau matériau quantique
La physique classique peut être utilisée pour expliquer un certain nombre de phénomènes qui sous-tendent notre monde – jusqu’à ce que les choses deviennent extrêmement petites. Les particules subatomiques comme les électrons et les quarks se comportent différemment, d’une manière qui n’est pas encore entièrement comprise. Entrez dans la mécanique quantique, le domaine qui essaie d’expliquer leur comportement et les effets qui en résultent.
Checkelsky et ses collègues ont découvert un nouveau matériau quantique, ou un matériau qui manifeste les propriétés exotiques de la mécanique quantique à une échelle macroscopique. Dans ce cas, le matériau en question est un supraconducteur.
Checkelsky explique qu’assez récemment, il y a eu un boom de la réalisation de supraconducteurs spéciaux bidimensionnels, ou de quelques couches atomiques seulement. Ces nouveaux supraconducteurs ultrafins sont intéressants en partie parce qu’ils devraient donner un aperçu de la supraconductivité elle-même.
Mais il y a des défis. D’une part, les matériaux de seulement quelques couches atomiques d’épaisseur sont eux-mêmes difficiles à étudier car ils sont si délicats. Pourrait-il y avoir une autre approche pour sonder leurs secrets ?
Le nouveau matériau fabriqué par Checkelsky et ses collègues peut être considéré comme l’équivalent supraconducteur d’un gâteau en couches, où une couche est un film ultramince de matériau supraconducteur, tandis que la suivante est une couche d’espacement ultramince qui la protège. L’empilement de ces couches les unes sur les autres donne un gros cristal (cela se produit naturellement lorsque les éléments constitutifs du soufre, du niobium et du baryum sont chauffés ensemble). « Et ce cristal macroscopique, que je peux tenir dans ma main, se comporte comme un supraconducteur 2D. C’était très surprenant », dit Checkelsky.
De nombreuses sondes utilisées par les scientifiques pour étudier les supraconducteurs 2D sont difficiles à utiliser sur des matériaux atomiquement minces. Parce que le nouveau matériau est si grand, « nous avons maintenant beaucoup plus d’outils [to characterize it]”, dit Checkelsky. En fait, pour les travaux décrits dans le présent article, les scientifiques ont utilisé une technique qui nécessite des échantillons massifs.
supraconducteurs exotiques
Un supraconducteur transporte la charge d’une manière spéciale. Au lieu de passer par un électron, la charge est transportée par deux électrons liés ensemble dans ce qu’on appelle une paire de Cooper. Cependant, tous les supraconducteurs ne sont pas identiques. Certaines formes inhabituelles de supraconductivité ne peuvent apparaître que lorsque les paires de Cooper peuvent se déplacer sans entrave à travers le matériau sur des distances relativement longues. Plus la distance est longue, plus le matériau est « propre ».
Le matériel de l’équipe Checkelsky est extrêmement propre. En conséquence, les physiciens étaient impatients de voir s’il pouvait présenter un état supraconducteur inhabituel, ce qui est le cas. Dans le présent article, l’équipe montre que leur nouveau matériau est un supraconducteur à impulsion finie lors de l’application d’un champ magnétique. Ce type particulier de supraconductivité, qui a été proposé dans les années 1960, est resté une fascination pour les scientifiques.
Aravind Devarakonda PhD ’21 est l’auteur principal d’un article décrivant une forme exotique de supraconductivité. Crédit : Denis Paiste
Alors que la supraconductivité est généralement détruite par des champs magnétiques modestes, un supraconducteur à impulsion finie peut persister davantage en formant un motif régulier de régions avec beaucoup de paires de Cooper et de régions qui n’en ont pas. Il s’avère que ce type de supraconducteur peut être manipulé pour former une variété de motifs inhabituels lorsque les paires de Cooper se déplacent entre des orbites de mécanique quantique connues sous le nom de niveaux de Landau. Et cela signifie, selon Checkelsky, que les scientifiques devraient désormais être en mesure de créer différents modèles de supraconductivité dans le même matériau.
“Il s’agit d’une expérience frappante qui est capable de démontrer des paires de Cooper se déplaçant entre les niveaux de Landau dans un supraconducteur, quelque chose qui n’a jamais été observé auparavant. Franchement, je n’avais jamais prévu de voir cela dans un cristal que vous pourriez tenir dans votre main, donc c’est très excitant. Pour observer cet effet insaisissable, les auteurs ont dû effectuer des mesures minutieuses et de haute précision sur un supraconducteur à deux dimensions unique qu’ils avaient précédemment découvert. C’est une réalisation remarquable, non seulement par sa difficulté technique, mais aussi par son ingéniosité », déclare Kyle Shen, professeur de physique à l’Université Cornell. Shen n’a pas participé à l’étude.
De plus, les physiciens ont réalisé que leur matériau contenait également les ingrédients d’un autre type exotique de supraconductivité. La supraconductivité topologique implique le mouvement de la charge le long des bords ou des frontières. Dans ce cas, cette charge pourrait voyager le long des bords de chaque motif supraconducteur interne.
L’équipe de Checkelsky travaille actuellement pour voir si leur matériau est effectivement capable de supraconductivité topologique. Si oui, « pouvons-nous combiner les deux nouveaux types de supraconductivité ? Qu’est-ce que cela pourrait apporter ? » demande Checkelsky.
« Cela a été très amusant de réaliser ce nouveau matériel », conclut-il. « Alors que nous cherchions à comprendre ce qu’il peut faire, il y a eu un certain nombre de surprises. C’est vraiment excitant quand de nouvelles choses sortent auxquelles nous ne nous attendons pas.
Référence : « Signatures des niveaux bosoniques de Landau dans un supraconducteur à impulsion finie » par A. Devarakonda, T. Suzuki, S. Fang, J. Zhu, D. Graf, M. Kriener, L. Fu, E. Kaxiras et JG Checkelsky , 3 novembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03915-3
Ce travail a été soutenu par la Gordon and Betty Moore Foundation, l’Office of Naval Research, le US Department of Energy (DOE) Office of Science, la National Science Foundation (NSF) et le Rutgers Center for Materials Theory.
Les calculs ont été effectués à l’Université Harvard. D’autres parties du travail ont été effectuées au National High Magnetic Field Laboratory, qui est soutenu par la NSF, l’État de Floride et le ministère de l’Énergie.
