Vortex électroniques quantiques dans les supraconducteurs : Découverte de phénomènes circulatoires sans précédent

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Une nouvelle étude du KTH Royal Institute of Technology et de l’université de Stanford révise notre compréhension des tourbillons quantiques dans les supraconducteurs. Illustration d’une représentation artistique des tourbillons quantiques. Crédit : Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory

Des chercheurs ont redéfini notre compréhension des vortex quantiques dans les supraconducteurs, en montrant qu’ils peuvent contenir un flux quantique fractionnaire, contrairement aux théories précédentes. Cette découverte révolutionnaire, qui implique la manipulation des vortex quantiques, ouvre la voie à de nouvelles applications potentielles dans l’électronique et l’informatique supraconductrices.

Dans les supraconducteurs, de petites tornades d’électrons, appelées tourbillons quantiques, peuvent se produire, ce qui a d’importantes implications dans les applications supraconductrices telles que les capteurs quantiques. Une équipe internationale de chercheurs vient de découvrir un nouveau type de vortex supraconducteur.

Egor Babaev, professeur à l’Institut royal de technologie KTH de Stockholm, explique que l’étude révise les connaissances actuelles sur la manière dont le flux électronique peut se produire dans les supraconducteurs, sur la base des travaux sur les vortex quantiques qui ont été récompensés par le prix Nobel en 2003. Les chercheurs du KTH, en collaboration avec des chercheurs de l’université de Stanford, du TD Lee Institute à Shanghai et de l’AIST à Tsukuba, ont découvert que le flux magnétique produit par les vortex dans un supraconducteur peut être divisé en une gamme de valeurs plus large qu’on ne le pensait.

Cela représente un nouvel aperçu des principes fondamentaux de la supraconductivité et peut également être appliqué à l’électronique supraconductrice.

Un vortex de flux magnétique se produit lorsqu’un champ magnétique externe est appliqué à un supraconducteur. Le champ magnétique pénètre dans le supraconducteur sous la forme de tubes de flux magnétique quantifiés qui forment des vortex. Babaev explique qu’à l’origine, les recherches montraient que les tourbillons quantiques traversaient les supraconducteurs en transportant chacun un quantum de flux magnétique. Mais les fractions arbitraires de flux quantique n’étaient pas une possibilité envisagée dans les théories antérieures de la supraconductivité.

En utilisant le dispositif d’interférence quantique supraconducteur (SQUID) de l’université de Stanford, les coauteurs de Babaev, le chercheur Yusuke Iguchi et le professeur Kathryn A. Moler, ont montré à un niveau microscopique que les vortex quantiques peuvent exister dans une seule bande électronique. L’équipe a pu créer et se déplacer autour de ces vortex quantiques fractionnaires, explique Mme Moler.

« Le professeur Babaev me disait depuis des années que nous pouvions voir quelque chose de ce genre, mais je n’y croyais pas jusqu’à ce que le Dr Iguchi l’ait vu et ait effectué un certain nombre de vérifications détaillées », dit-elle.

Les chercheurs de Stanford ont trouvé l’observation initiale de ce phénomène « si incroyablement rare », dit Iguchi, qu’ils ont répété l’expérience 75 fois en différents endroits et à différentes températures.

Ces travaux confirment une prédiction publiée par Babaev il y a 20 ans, selon laquelle, dans certains types de cristaux, une partie de la population d’électrons d’un matériau supraconducteur peut former un tourbillon circulant dans le sens des aiguilles d’une montre, tandis que d’autres électrons peuvent former simultanément un tourbillon circulant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. « Ces tornades quantiques combinées peuvent transporter une fraction arbitraire de flux quantique », explique-t-il.

« Cela révise notre compréhension des tourbillons quantiques dans les supraconducteurs », ajoute-t-il.

Moler confirme cette conclusion. « Cela fait plus de 25 ans que j’étudie les tourbillons dans les nouveaux supraconducteurs, et je n’avais jamais vu cela auparavant », dit-elle.

Selon Babaev, la robustesse des vortex quantiques et la possibilité de les contrôler suggèrent que les vortex quantiques pourraient potentiellement être utilisés comme supports d’information dans les ordinateurs supraconducteurs.

« Les connaissances que nous acquérons, les méthodes spectaculaires introduites par nos collègues, le Dr Iguchi et le professeur Moler à Stanford, pourraient à long terme s’avérer utiles pour certaines plates-formes d’informatique quantique », déclare Babaev.

Référence : « Superconducting vortices carrying a temperature-dependent fraction of the flux quantum » par Yusuke Iguchi, Ruby A. Shi, Kunihiro Kihou, Chul-Ho Lee, Mats Barkman, Andrea L. Benfenati, Vadim Grinenko, Egor Babaev et Kathryn A. Moler, 1 juin 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.abp9979