L’une des plus grandes réalisations de la physique quantique a été de refondre notre vision de l’atome. Out était le modèle du début des années 1900 d’un système solaire en miniature, dans lequel les électrons tournaient autour d’un noyau solide. Au lieu de cela, la physique quantique a montré que les électrons vivent une vie beaucoup plus intéressante, serpentant autour du noyau dans des nuages qui ressemblent à de minuscules ballons. Ces ballons sont connus sous le nom d’orbitales atomiques et se présentent sous toutes sortes de formes différentes – parfaitement rondes, à deux lobes, en forme de feuille de trèfle. Le nombre de lobes dans le ballon signifie combien l’électron tourne autour du noyau.
C’est très bien pour les atomes individuels, mais lorsque les atomes se rassemblent pour former quelque chose de solide – comme un morceau de métal, par exemple – les électrons les plus externes dans les atomes peuvent lier des bras et perdre de vue le noyau d’où ils viennent, formant de nombreux surdimensionnés. ballons qui couvrent tout le morceau de métal. Ils arrêtent de tourner autour de leurs noyaux et traversent le métal pour transporter des courants électriques, se débarrassant de la diversité des ballons multilobés.
Aujourd’hui, des chercheurs du Quantum Materials Center (QMC) de l’Université du Maryland (UMD), en collaboration avec des théoriciens du Condensed Matter Theory Center (CMTC) et du Joint Quantum Institute (JQI), ont produit la première preuve expérimentale qu’un métal – et probablement d’autres de sa classe – ont des électrons qui parviennent à conserver une structure multilobée plus intéressante lorsqu’ils se déplacent dans un solide. L’équipe a étudié expérimentalement la forme de ces ballons et a trouvé non pas une surface uniforme, mais une structure complexe. Ce métal inhabituel est non seulement fondamentalement intéressant, mais il pourrait également s’avérer utile pour construire des ordinateurs quantiques résistants au bruit.
Les chercheurs ont récemment publié leurs découvertes dans la revue Recherche d’examen physique.
« Quand j’ai découvert cela pour la première fois, j’étais tellement excité », a déclaré Hyunsoo Kim, ancien chercheur postdoctoral à QMC et auteur principal des travaux. « Mais il a fallu des années pour étudier complètement, car ce n’est pas un concept conventionnel et aussi expérimentalement très difficile de collecter des données de haute qualité. »
En 2011, l’équipe a découvert pour la première fois que le métal en question, l’yttrium platine bismuth, ou YPtBi, pouvait devenir un supraconducteur. Certains matériaux deviennent supraconducteurs à des températures suffisamment basses, perdant toute résistance au courant électrique. YPtBi était un candidat improbable pour la supraconductivité car il contient beaucoup moins d’électrons mobiles porteurs de courant que la plupart des supraconducteurs. Mais, à la surprise des chercheurs, il est quand même devenu supraconducteur. De plus, la façon dont il se comportait lorsqu’il était exposé à un champ magnétique prouvait qu’il ne s’agissait pas d’un supraconducteur ordinaire.
À l’époque, les chercheurs soupçonnaient que la forme des orbitales des électrons était à blâmer et ont conclu que les électrons qui tournent sur eux-mêmes et tracent plus de cercles dans l’espace, c’est-à-dire des électrons avec un moment cinétique plus élevé, formaient un état de supraconductivité sans précédent.
« Nous avions ce que j’appellerais des preuves circonstancielles que la supraconductivité est constituée de ces paires d’électrons à moment angulaire plus élevé », explique Johnpierre Paglione, professeur de physique à l’UMD, directeur de QMC et responsable du groupe expérimental de cette collaboration. . « Mais il n’y avait vraiment aucune preuve directe de ces électrons à moment cinétique élevé. »
Pour recueillir des preuves plus directes dans les nouvelles expériences, l’équipe a augmenté la température et étudié le matériau dans son état normal, non supraconducteur. Ensuite, ils ont effectué une mesure classique qui trace quelque chose qui ressemble à l’orbite atomique collective pour tous les électrons flottant dans le métal.
En regardant à l’intérieur d’un métal, on voit des atomes disposés en grilles répétitives nettes, appelées réseau cristallin. Dans un cristal, les orbitales atomiques des électrons les plus externes se transforment les unes en les autres. Cela permet aux électrons de voyager loin de leur noyau d’origine et de transporter du courant à travers le métal. Dans ce cadre solide, une version de ballons orbitaux existe toujours, mais il est plus courant de les visualiser non pas dans l’espace – où il existe de nombreuses orbitales énormes et peu maniables – mais en fonction de la vitesse et de la direction des électrons en déplacement. Les électrons se déplaçant le plus rapidement dans le cristal forment leur propre ballon, un analogue collectif des orbitales atomiques connu sous le nom de surface de Fermi.
La forme de la surface de Fermi reflète la structure du cristal sous-jacent, qui n’a généralement aucune ressemblance avec la structure orbitale d’atomes simples. Mais pour des matériaux comme YPtBi avec très peu d’électrons mobiles, la surface de Fermi n’est pas très grande. Pour cette raison, il conserve certaines des propriétés des électrons qui se déplacent à peine, qui se trouvent au centre de la surface de Fermi.
« Le fait que la nature trouve des arrangements atomiques contre-intuitifs qui permettent à la surface de Fermi de conserver les signatures des orbitales atomiques est plutôt cool et complexe », déclare le co-directeur de JQI et Fellow Jay Deep Sau, professeur agrégé de physique à l’UMD et chercheur théorique. collaborateur sur le nouveau papier.
Pour découvrir cette surface de Fermi froide et contre-intuitive, les chercheurs ont collé un cristal YPtBi à l’intérieur d’un champ magnétique et ont mesuré le courant traversant le cristal pendant qu’ils réglaient le champ. En faisant tourner la direction du champ magnétique, ils ont pu cartographier la vitesse des électrons les plus rapides dans toutes les directions. Ils ont découvert que, semblable à une orbitale atomique à moment cinétique plus élevé, la surface de Fermi a une forme complexe, avec des pics et des creux dans certaines directions. La grande symétrie du cristal lui-même conduirait normalement à une surface de Fermi plus uniforme, en forme de boule, il a donc été surprenant de trouver une structure plus compliquée. Cela indiquait la possibilité que les électrons collectifs présentaient une partie de la nature du moment angulaire plus élevé des orbitales atomiques.
En effet, les calculs théoriques de l’équipe CMTC ont montré que les résultats expérimentaux correspondaient à un modèle à moment cinétique élevé, ce qui a conduit l’équipe à revendiquer la première observation expérimentale d’un métal à moment cinétique élevé. L’équipe prévient que même ces preuves expérimentales pourraient encore être incomplètes. Ce qu’ils ont mesuré dépend non seulement de la surface de Fermi mais aussi d’autres propriétés des électrons, comme leur masse effective et la distribution de leurs vitesses. Dans leurs travaux, l’équipe a systématiquement étudié la dépendance angulaire de ces autres quantités et a démontré qu’il serait extrêmement peu probable qu’elles provoquent les pics et les creux observés.
En plus d’être fondamentalement nouveau, ce métal à moment angulaire plus élevé a des applications potentielles pour l’informatique quantique. Il existe des prédictions selon lesquelles certains états supraconducteurs exotiques pourraient donner lieu à des propriétés qui ne sont pas affectées par le bruit qui se produit en un point donné. Ces propriétés pourraient être capables de coder des bits quantiques, permettant potentiellement la création d’ordinateurs quantiques beaucoup plus robustes. Il reste à voir si YPtBi est exotique dans le bon sens pour que cela se produise, mais le nouveau travail est une étape importante pour le comprendre.
« Il y a de nombreuses pièces dans le puzzle pour comprendre exactement quel type de supraconducteur vous avez et si vous pouvez l’exploiter pour faire du calcul quantique », explique Paglione. « Il y a des défis expérimentaux pour obtenir le reste des pièces du puzzle. Mais je pense que nous avons parcouru une bonne partie du chemin. »
Plus d’information:
Hyunsoo Kim et al, Oscillations quantiques de la surface de Fermi j = 3/2 dans le semi-métal topologique YPtBi, Recherche d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevResearch.4.033169