Les supraconducteurs permettent au courant électrique de passer sans résistance, tandis que les isolants topologiques sont des films minces de seulement quelques atomes d'épaisseur qui limitent le mouvement des électrons à leurs bords, ce qui leur confère des propriétés uniques. Une équipe de recherche à Penn State a trouvé une nouvelle façon de combiner deux matériaux dotés de propriétés électriques particulières. Leur méthode offre la base d'une approche topologique ordinateurs quantiques qui sont plus stables que leurs homologues traditionnels.
Les chercheurs de cette étude ont utilisé une technique d'épitaxie par jet moléculaire pour synthétiser un isolant topologique et supraconducteur films. Ils ont ensuite créé une hétérostructure bidimensionnelle qui constitue une excellente plateforme pour explorer le phénomène de supraconductivité topologique.
La supraconductivité des films minces dans les études antérieures visant à mélanger les deux matériaux disparaît généralement une fois qu'une couche isolante topologique est développée sur le dessus. Une feuille isolante topologique a été ajoutée à un supraconducteur tridimensionnel « en vrac » par des physiciens, préservant ainsi les caractéristiques des deux matériaux. Cependant, les applications des supraconducteurs topologiques, telles que les puces à faible consommation d’énergie intégrées aux ordinateurs quantiques ou aux smartphones, devraient être bidimensionnelles.
Dans cette étude, les chercheurs ont empilé un film isolant topologique en séléniure de bismuth (Bi2Se3) de différentes épaisseurs sur un film supraconducteur en diséléniure de niobium monocouche (NbSe2), ce qui a donné un produit final bidimensionnel. En synthétisant les hétérostructures à une température très basse, l’équipe a conservé les propriétés topologiques et supraconductrices.
Hemian Yi, chercheur postdoctoral au sein du groupe de recherche Chang de Penn State et premier auteur de l'article, a déclaré : "Dans les supraconducteurs, les électrons forment des "paires de Cooper" et peuvent circuler avec une résistance nulle, mais un champ magnétique puissant peut briser ces paires."
« Le film supraconducteur monocouche que nous avons utilisé est connu pour sa « supraconductivité de type Ising », ce qui signifie que les paires de Cooper sont robustes face aux champs magnétiques dans le plan. Nous nous attendons à ce que la phase supraconductrice topologique formée dans nos hétérostructures soit ainsi robuste.
Les chercheurs ont découvert que l’hétérostructure est passée de la supraconductivité de type Ising, où le spin électronique est perpendiculaire au film, à la « supraconductivité de type Rashba », où le spin électronique est parallèle au film, en modifiant subtilement l’épaisseur de l’isolant topologique. . Ce phénomène est également observé dans les calculs théoriques et les simulations des chercheurs.
Cette hétérostructure pourrait également constituer une bonne plateforme pour explorer les fermions de Majorana. Cette particule insaisissable rendrait considérablement un ordinateur quantique topologique plus stable que ses prédécesseurs.
Cui-Zu Chang, professeur de début de carrière Henry W. Knerr et professeur agrégé de physique à Penn State, a affirmé Valérie Plante., « Il s’agit d’une excellente plate-forme pour l’exploration des supraconducteurs topologiques, et nous espérons trouver des preuves de supraconductivité topologique dans nos travaux continus. Une fois que nous aurons des preuves solides de la supraconductivité topologique et que nous démontrerons la physique de Majorana, ce système pourrait être adapté à l’informatique quantique et à d’autres applications.
Journal de référence:
- Cui-Zu Chang, Crossover de la supraconductivité de type Ising à Rashba dans les hétérostructures épitaxiales Bi2Se3/monocouche NbSe2, Nature Materials (2022). EST CE QUE JE: 10.1038 / s41563-022-01386-z
