De nouveaux matériaux exotiques pourraient être deux supraconducteurs en un – avec de sérieuses applications en informatique quantique

Le travail a des applications potentielles dans Statistiques quantitativeset offre une nouvelle façon de révéler les secrets de la supraconductivité.

Avec Des physiciens et collègues ont démontré une étrange forme de supraconductivité dans un nouveau matériau que l’équipe a fabriqué il y a à peine un an. Bien que prévu dans les années 1960, ce type de supraconductivité s’est jusqu’à présent avéré difficile à stabiliser. De plus, les scientifiques ont découvert que le même matériau peut être manipulé pour afficher une autre forme tout aussi exotique de supraconductivité.

Le travail a été rapporté dans le numéro du 3 novembre 2021 du magazine tempérer 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. Ceci, 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 techniques est difficile, en partie à cause de la difficulté d’étudier les matériaux qui les composent. Le nouveau matériel pourrait simplifier ces recherches car, entre autres, il est relativement facile à réaliser.

Diagramme montrant trois modes différents de supraconductivité obtenus dans un nouveau matériau synthétisé au MIT. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Checkelsky Lab

« L’un des sujets importants de nos recherches est que la nouvelle physique provient de nouveaux matériaux », explique Josef Chikilsky, chercheur principal sur le travail et professeur agrégé de physique dans le développement de carrière à Mitsui. Notre rapport initial portait l’an dernier sur cette nouvelle substance. Ce nouveau travail rappelle une nouvelle physique. »

Les co-auteurs de Checkelsky sur l’article actuel incluent l’auteur principal Aravind Devarakonda PhD ’21, qui est maintenant en Université de Columbia. Le travail était une partie essentielle de la thèse de Devarakonda. Les co-auteurs sont Takehito Suzuki, un ancien chercheur au MIT, aujourd’hui Toho University au Japon ; Xiang Fang, chercheur postdoctoral au Département de physique du Massachusetts Institute of Technology. Junpo Chu, étudiant diplômé en physique au Massachusetts Institute of Technology ; David Graf du Laboratoire national de champ magnétique élevé ; Markus Kreiner du RIKEN Center for Emerging Materials Science au Japon ; Liang Fu, professeur adjoint de physique au Massachusetts Institute of Technology ; Euphthymus Cacceiras 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 adorablement petites. Les particules subatomiques telles que les électrons et les quarks se comportent différemment, de manières encore mal comprises. Entrez dans la mécanique quantique, le domaine qui tente d’expliquer leur comportement et les effets qui en résultent.

Checkelsky et ses collègues ont découvert un nouveau matériau quantique, ou un matériau qui présente les propriétés particulières de la mécanique quantique à l’échelle microscopique. Dans ce cas, le matériau en question est un supraconducteur.

Récemment, explique Checkelsky, il y a eu un boom dans la réalisation de supraconducteurs spéciaux qui sont bidimensionnels, ou juste quelques couches atomiques d’épaisseur. Ces nouveaux supraconducteurs minces sont importants en partie parce qu’ils devraient donner un aperçu de la supraconductivité elle-même.

Mais il y a des défis. Par exemple, les matériaux d’une épaisseur ne dépassant pas quelques couches atomiques sont difficiles à étudier car ils sont très sensibles. 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 couche de gâteau, où une couche est une couche ultra-mince d’un matériau supraconducteur, et la suivante est une couche d’espacement super-mince 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 soufre, niobium et baryum sont chauffés ensemble). « Et ce cristal macroscopique, que je peux tenir dans ma main, se comporte comme un supraconducteur bidimensionnel. C’était tellement incroyable », dit Czekelski.

De nombreux capteurs que les scientifiques utilisent pour étudier les supraconducteurs bidimensionnels sont difficiles à utiliser sur des matériaux atomiquement minces. Étant donné que le nouveau matériau est trop grand, « nous avons maintenant de nombreux outils [to characterize it] », dit Chikilsky. En effet, pour les travaux présentés dans le présent article, les scientifiques ont utilisé une technique qui nécessitait d’énormes échantillons.

Des supraconducteurs étranges

Le supraconducteur transporte la charge d’une manière spéciale. Au lieu d’un seul électron, deux électrons liés ensemble portent la charge dans ce qu’on appelle la 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 se déplacent sans entrave à travers la matière sur des distances relativement longues. Plus la distance est longue, plus le matériau sera « propre ».

Le matériel de l’équipe Checkelsky est très propre. En conséquence, les physiciens étaient impatients de voir s’il pouvait montrer l’état inhabituel de la supraconductivité, ce qu’il fait. Dans le présent article, l’équipe démontre que leur nouveau matériau est un supraconducteur à impulsion finie lorsqu’un champ magnétique est appliqué. Ce type particulier de supraconductivité, qui a été proposé dans les années 1960, est resté un aimant pour les scientifiques.

Aravind Devarakonda PhD ’21 est l’auteur principal d’un article de recherche décrivant une forme particulière de supraconductivité. Crédit : Dennis Paest

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 sans. 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 orbitales de mécanique quantique connues sous le nom de niveaux de Landau. Cela signifie, dit Chikilsky, que les scientifiques devraient désormais être en mesure de créer différents modèles de supraconductivité dans le même matériau.

« C’est une expérience incroyable capable de démontrer le mouvement des paires de Cooper entre les niveaux de Landau dans un supraconducteur, quelque chose qui n’a jamais été observé auparavant. Honnêtement, je ne m’attendais pas à voir cela dans un cristal que vous pouvez tenir dans votre main, donc cela est très excitant. Pour observer cet effet insaisissable, les auteurs doivent effectuer des mesures minutieuses et de haute précision sur un supraconducteur bidimensionnel unique qu’ils ont découvert précédemment. C’est une réalisation remarquable, non seulement en termes de difficulté technique, mais aussi en termes d’intelligence, dit Kyle Sheen, professeur de physique à l’Université Cornell.

De plus, les physiciens ont réalisé que leur matériau contenait également des composants 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 peut 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 tel est le cas,  » Pouvons-nous combiner les deux nouveaux types de supraconductivité ? Qu’est-ce que cela pourrait apporter ? « , demande Chekelsky.

Il conclut que « la réalisation de ce nouveau matériel a été très intéressante ». « Au fur et à mesure que nous comprenions mieux ce qu’il pouvait faire, il y a eu un certain nombre de surprises. C’est vraiment excitant quand de nouvelles choses arrivent auxquelles nous ne nous attendons pas. »

Référence : « Empreintes digitales des niveaux bosoniens de Landau dans un supraconducteur à impulsion finie » par A. 3 novembre 2021, tempérer 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 Material Theory.

Les calculs ont été faits à l’Université de 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.