Des physiciens ont développé un nouveau matériau exotique au sein duquel la supraconductivité et le magnétisme sont combinés. Cette combinaison de deux états normalement incompatibles a donné lieu à un supraconducteur stable amélioré par le magnétisme et dont la fonction peut être spécifiquement contrôlée par ce dernier. Cette avancée pourrait avoir d’importantes implications en informatique quantique en conférant une meilleure stabilité aux qubits (bits quantiques).
Les supraconducteurs sont caractérisés par leur capacité à conduire l’électricité sans résistance électrique (la capacité d’un matériau à « freiner » un courant électrique) et par leur induction magnétique. La supraconductivité permet ainsi de véhiculer de l’électricité sans perte d’énergie. Ces propriétés en font des matériaux idéaux pour les composants électroniques des dispositifs d’imagerie par résonance magnétique (IRM), des trains à sustentation magnétique et des accélérateurs de particules.
Cependant, l’efficacité des supraconducteurs conventionnels est considérablement entravée par la présence d’un champ magnétique externe. Ce dernier empêche notamment le contrôle du flux d’électrons circulant à travers le matériau. Des chercheurs de l’Université de Würzburg en Allemagne suggèrent qu’il serait possible de surmonter cette limite en induisant un état appelé « Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov induit par la proximité (p-FFLO) ». Il s’agit d’un état exotique au cours duquel la supraconductivité et le magnétisme — deux phénomènes normalement incompatibles — peuvent coexister au sein d’un même matériau. Pour ce faire, le matériau doit être un hybride combinant la supraconductivité et la non-supraconductivité.
Dans leur nouvelle recherche effectuée en collaboration avec le Centre international de physique de Donostia (en Espagne) et l’Université de Deft (aux Pays-Bas), les scientifiques allemands ont développé un supraconducteur hybride disposant d’un état p-FFLO. Plutôt que d’être perturbé par la présence d’un champ magnétique, le matériau peut être contrôlé par celui-ci. « Grâce à un champ magnétique externe, nous pouvons désormais contrôler avec précision les propriétés supraconductrices. Il s’agit d’une véritable avancée en physique quantique », explique Charles Gould, coauteur principal de l’étude, détaillée dans la revue Nature Physics, dans un communiqué de l’Université de Würzburg.
Un matériau hybride permettant un haut niveau de contrôle
Pour concevoir le nouveau matériau, les chercheurs ont combiné un supraconducteur avec un semi-conducteur dit « isolant topologique ». Les isolants topologiques sont des matériaux possédant un agencement spécifique de leurs électrons, leur permettant de conduire l’électricité uniquement en surface et non à l’intérieur. Celui utilisé pour l’étude possède une structure bidimensionnelle composée de mercure, de manganèse et de tellure.
La combinaison avec l’isolant topologique a permis au matériau de former des « jonctions Josephson », une propriété permettant d’induire un état p-FFLO. Plus précisément, ces jonctions se forment lorsque les parties supraconductrices du matériau sont séparées par une fine couche d’un autre matériau non supraconducteur (l’isolant topologique) — ce qui permet un niveau de contrôle élevé.
« Cela nous a permis de combiner les propriétés de la supraconductivité et des semi-conducteurs », explique Gould. « Nous combinons donc les avantages d’un supraconducteur avec la contrôlabilité de l’isolant topologique », ajoute-t-il. En intégrant des atomes magnétiques au niveau de l’isolant topologique, le matériau peut être contrôlé avec grande précision en induisant un champ magnétique externe de faible intensité.
Selon les experts, ces résultats permettraient d’étudier l’état FFLO dans des conditions expérimentales plus accessibles. À terme, cela pourrait déboucher sur des applications pour les ordinateurs quantiques, afin d’améliorer leurs performances. En effet, contrairement aux ordinateurs conventionnels, ces derniers utilisent des bits quantiques (qubits) pour stocker l’information. Or, les qubits sont extrêmement sensibles aux interférences extérieures telles que les champs magnétiques. « Notre découverte pourrait aider à stabiliser les bits quantiques afin qu’ils puissent être utilisés dans les ordinateurs quantiques de façon plus efficace à l’avenir », conclut Gould.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]