La preuve d’un supraconducteur chiral pourrait rapprocher l’informatique quantique du courant dominant

Les physiciens de l’Université du Tennessee ont dirigé une équipe scientifique qui a découvert que le silicium – un pilier de l’industrie électronique qui va bientôt atteindre un billion de dollars – peut héberger une nouvelle forme de supraconductivité qui pourrait rapprocher les technologies quantiques émergentes rapidement de la production à l’échelle industrielle.

Les découvertes sont rapportées dans Physique naturelle et impliquent le vol d’électrons, l’inversion du temps et un peu d’ambidextrie électronique.

Des couples sur la piste de danse supraconductrice

Les supraconducteurs conduisent le courant électrique sans résistance ni dissipation d’énergie. Leurs utilisations vont des électroaimants puissants pour les accélérateurs de particules et les appareils médicaux d’IRM aux capteurs magnétiques ultrasensibles en passant par les ordinateurs quantiques. La supraconductivité est une démonstration spectaculaire de la mécanique quantique en action à l’échelle macroscopique. Tout se résume aux électrons.

Les électrons sont chargés négativement et se repoussent dans le vide. Cependant, dans un milieu à l’état solide – le domaine des métaux et des semi-conducteurs – il y a environ 1023 autres électrons et ions positifs qui compliquent énormément l’image. Dans un supraconducteur, les électrons de conduction surmontent leur répulsion mutuelle et s’attirent les uns aux autres par des interactions avec les autres particules. Cette interaction les amène à se jumeler comme des danseurs lors d’un bal, formant des particules composites, ou « paires de Cooper » (ainsi nommées en l’honneur du lauréat du prix Nobel Leon Cooper).

Typiquement, la « colle » provoquant cet appariement provient des vibrations atomiques dans un métal, mais seulement si les électrons ne se repoussent pas trop fortement. Le processus est un peu comme deux personnes (les électrons) sur un matelas mou (le médium) qui roulent l’une vers l’autre lorsque le matelas est comprimé au centre. Les lois de la mécanique quantique stipulent que les paires de Cooper (contrairement aux électrons uniques) peuvent toutes se condenser en un seul état quantique cohérent, où elles se déplacent en parallèle. Le condensat présente ainsi une rigidité, permettant au courant de circuler sans interruption ni dissipation ; en d’autres termes : supraconduire. Ce mécanisme conduit aux supraconducteurs conventionnels (ondes s) tels que l’aluminium, l’étain ou le plomb.

Lorsque la répulsion entre les électrons est forte, cependant, ils s’apparient dans des états de moment cinétique plus élevés afin qu’ils ne puissent pas s’approcher trop près, ce qui donne, par exemple, un supraconducteur à onde d. C’est le cas des matériaux à base de cuivre et d’oxygène (cuprates) et il joue un rôle prépondérant dans la Physique naturelle la recherche et son potentiel futur.

Voler des électrons

Dans ce travail, le professeur Hanno Weitering et le professeur agrégé Steve Johnston et leurs collègues aux États-Unis, en Espagne et en Chine ont reproduit la physique de type cuprate en faisant croître un tiers d’une monocouche d’atomes d’étain sur un substrat (couche de base) de silicium. Considérez-le comme neuf atomes de silicium dans une seule couche, avec trois atomes d’étain – placés plus loin les uns des autres – empilés dans une autre couche au-dessus. Le système est conçu de telle sorte que la répulsion entre les électrons d’étain est si forte qu’ils ne peuvent pas bouger et ne supraconduiront pas.

Weitering, Johnston et leurs collègues ont trouvé une solution de contournement astucieuse en implantant des atomes de bore dans la structure cristalline de type diamant de la couche de silicium. Les atomes de bore ont ensuite volé des électrons de la couche d’étain (généralement environ 10 %) dans un processus similaire aux techniques perfectionnées par l’industrie des semi-conducteurs. Cela a donné aux électrons d’étain restants la liberté de se déplacer. La couche d’étain est ainsi devenue métallique et même supraconductrice à une température critique dépassant celle de la quasi-totalité des supraconducteurs élémentaires. Fait important, le phénomène a également augmenté avec le nombre d’atomes de bore ou d’électrons volés, comportement rappelant les supraconducteurs cuprates.

Inverser le temps et les applications d’informatique quantique

Alors que la supraconductivité basée sur le vol d’électrons est intéressante en soi, l’équipe de recherche a découvert une physique encore plus intrigante suggérant que ce matériau étain-silicium héberge la supraconductivité chirale. Cet état hautement exotique de la matière est fortement recherché, en partie à cause de son potentiel pour l’informatique quantique.

Dans les systèmes chiraux, les rotations dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre sont identiques et pourtant différentes, comme la façon dont les mains gauche et droite sont des images miroir l’une de l’autre qui ne peuvent pas être superposées. En mécanique quantique, les propriétés des électrons simples ou appariés sont codées dans une fonction d’onde mathématique qui peut être gaucher, droitier ou « topologiquement trivial ».

La fonction d’onde supraconductrice dans la couche d’étain s’avère être dans le sens horaire dans certaines parties de l’échantillon et dans le sens antihoraire dans d’autres parties. Si l’on rembobinait l’horloge, la fonction d’onde dans le sens des aiguilles d’une montre deviendrait dans le sens inverse des aiguilles d’une montre et vice-versa, mais ces deux fonctions d’onde sont toujours différentes, tout comme la main gauche et la main droite sont différentes; comme dirait un physicien, la symétrie d’inversion du temps est brisée.

La rupture de symétrie par inversion du temps est une caractéristique de la supraconductivité chirale. Une autre est que le système a deux canaux de conduction unidimensionnels qui fonctionnent comme des voies ferrées le long du périmètre du matériau échantillon. Ces canaux hébergent des entités exotiques ressemblant à des particules où, dans certaines conditions, la particule et son antiparticule deviennent indiscernables. Les particules de Majorana sont topologiquement protégées, imperméables à ce qui se passe dans l’environnement qui les entoure. Ils ont été envisagés comme des éléments constitutifs des futurs ordinateurs quantiques, une technologie en émergence rapide qui pourrait aider à résoudre des problèmes trop complexes pour les ordinateurs classiques. L’utilisation de particules de Majorana implique une protection contre la décohérence, une condition essentielle au succès du calcul quantique.

Pris ensemble, les Physique naturelle les résultats suggèrent la possibilité d’intégrer des propriétés exotiques avec une plate-forme de matériaux à base de silicium facilement évolutive. En tant que tel, cela rapprocherait les technologies quantiques futuristes de la production à l’échelle industrielle.