De nouvelles structures hybrides pourraient ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques plus stables

Une nouvelle façon de combiner deux matériaux aux propriétés électriques spéciales – un supraconducteur monocouche et un isolant topologique – fournit la meilleure plate-forme à ce jour pour explorer une forme inhabituelle de supraconductivité appelée supraconductivité topologique. La combinaison pourrait fournir la base d’ordinateurs quantiques topologiques plus stables que leurs homologues traditionnels.

Les supraconducteurs – utilisés dans les aimants puissants, les circuits numériques et les dispositifs d’imagerie – 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 vers leurs bords, ce qui peut entraîner des propriétés uniques . Une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State décrit comment ils ont associé les deux matériaux dans un article paru le 27 octobre dans la revue Matériaux naturels.

« L’avenir de l’informatique quantique dépend d’un type de matériau que nous appelons un supraconducteur topologique, qui peut être formé en combinant un isolant topologique avec un supraconducteur, mais le processus réel de combinaison de ces deux matériaux est difficile », a déclaré Cui-Zu Chang. , Henry W. Knerr Professeur en début de carrière et professeur agrégé de physique à Penn State et chef de l’équipe de recherche.

« Dans cette étude, nous avons utilisé une technique appelée épitaxie par faisceau moléculaire pour synthétiser à la fois des films isolants topologiques et supraconducteurs et créer une hétérostructure bidimensionnelle qui constitue une excellente plate-forme pour explorer le phénomène de supraconductivité topologique. »

Dans les expériences précédentes visant à combiner les deux matériaux, la supraconductivité dans les films minces disparaît généralement une fois qu’une couche d’isolant topologique est développée sur le dessus. Les physiciens ont pu ajouter un film isolant topologique sur un supraconducteur « en vrac » tridimensionnel et conserver les propriétés des deux matériaux.

Cependant, les applications des supraconducteurs topologiques, telles que les puces à faible consommation d’énergie à l’intérieur des ordinateurs quantiques ou des smartphones, devraient être bidimensionnelles.

Dans cet article, l’équipe de recherche a empilé un film isolant topologique fait de séléniure de bismuth (Bi2Se3) avec différentes épaisseurs sur un film supraconducteur fait de diséléniure de niobium monocouche (NbSe2), résultant en un produit final bidimensionnel. En synthétisant les hétérostructures à très basse température, l’équipe a pu conserver à la fois les propriétés topologiques et supraconductrices.

« 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 », a déclaré Hemian Yi, chercheur postdoctoral au Chang Research Group de Penn State et premier auteur de l’article. .

« 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 très robustes contre les champs magnétiques dans le plan. Nous nous attendrions également à ce que la phase supraconductrice topologique formée dans nos hétérostructures soit robuste. de cette façon. »

En ajustant subtilement l’épaisseur de l’isolant topologique, les chercheurs ont découvert que l’hétérostructure passait de la supraconductivité de type Ising – où le spin électronique est perpendiculaire au film – à un autre type de supraconductivité appelée « supraconductivité de type Rashba » – où le spin électronique est parallèle au film.

Ce phénomène est également observé dans les calculs théoriques et les simulations des chercheurs.

Cette hétérostructure pourrait également être une bonne plateforme pour l’exploration des fermions de Majorana, une particule insaisissable qui contribuerait grandement à rendre un ordinateur quantique topologique plus stable que ses prédécesseurs.

« Il s’agit d’une excellente plate-forme pour l’exploration des supraconducteurs topologiques, et nous espérons trouver des preuves de la supraconductivité topologique dans nos travaux continus », a déclaré Chang. « Une fois que nous aurons des preuves solides de la supraconductivité topologique et démontrerons la physique de Majorana, ce type de système pourrait être adapté à l’informatique quantique et à d’autres applications. »