Les supraconducteurs topologiques sont des matériaux supraconducteurs dotés de caractéristiques uniques, notamment l’apparition d’états de Majorana dits in-gap. Ces états liés peuvent servir de qubits, rendant les supraconducteurs topologiques particulièrement prometteurs pour la création de technologies d’informatique quantique.
Certains physiciens ont récemment exploré le potentiel de création de systèmes quantiques qui intègrent des supraconducteurs avec des configurations tourbillonnantes de dipôles magnétiques atomiques (spins), connus sous le nom de cristaux de skyrmions quantiques. La plupart de ces efforts ont suggéré de prendre en sandwich des cristaux de skyrmions quantiques entre des supraconducteurs pour obtenir une supraconductivité topologique.
Kristian Mæland et Asle Sudbø, deux chercheurs de l’Université norvégienne des sciences et technologies, ont récemment proposé un système modèle alternatif de supraconductivité topologique, qui ne contient pas de matériaux supraconducteurs. Ce modèle théorique, introduit dans Lettres d’examen physiqueutiliserait à la place une structure en sandwich d’un métal lourd, d’un isolant magnétique et d’un métal normal, où le métal lourd induit un cristal de skyrmion quantique dans l’isolant magnétique.
« Nous nous intéressons depuis longtemps aux nouveaux types de systèmes de spin quantique de faible dimension et nous nous sommes penchés sur la question de savoir comment les fluctuations de spin quantique dans les cristaux de skyrmion quantiques pourraient affecter les états métalliques normaux et éventuellement conduire à une supraconductivité d’un type inhabituel, » a déclaré Sudbø à Phys.org.
« Les travaux antérieurs qui nous ont particulièrement inspirés et sur lesquels nous nous sommes appuyés sont le travail expérimental de Heinze et al sur les réalisations de cristaux de skyrmions quantiques, et deux de nos propres articles sur les cristaux de skyrmions quantiques. »
Dans un article publié en 2011, Stefan Heinze de l’Université de Kiel et ses collègues de l’Université de Hambourg ont montré que les cristaux de skyrmion pouvaient être réalisés dans des systèmes physiques réels. Inspirés par les travaux antérieurs de cette équipe de recherche, Sudbø et Mæland ont fait une série de prédictions, qui servent de base à leur nouveau système de modèle de supraconductivité topologique.
« Nous n’avons pas nous-mêmes fabriqué ces systèmes de manière expérimentale, mais nous suggérons des matériaux qui pourraient être utilisés pour créer de tels systèmes et étudier leurs propriétés », a déclaré Sudbø. « Nous avons spécifiquement étudié une nouvelle façon de créer une supraconductivité topologique en prenant en sandwich un métal normal avec un système de spin très spécifique où les spins forment des skyrmions dans un motif répété, un cristal de skyrmion. Les propositions précédentes pour créer une supraconductivité topologique suggéraient de prendre en sandwich des cristaux de skyrmion avec des supraconducteurs. Notre approche évite le besoin d’un supraconducteur dans le sandwich. »
Bien qu’ils n’aient pas réalisé expérimentalement leur système de modèle proposé, Sudbø et Mæland ont essayé de déterminer ses propriétés à travers une série de calculs. Plus précisément, ils ont calculé une propriété de l’état supraconducteur induit du système, le soi-disant paramètre d’ordre supraconducteur, et ont découvert qu’il avait une topologie non triviale.
« Nous avons pu créer un système modèle dans lequel nous pouvons produire une supraconductivité topologique dans une hétérostructure sans avoir de supraconducteur a priori dans le sandwich », a déclaré Sudbø. « Notre système est une structure en sandwich d’un métal normal et d’un isolant magnétique, alors que les propositions précédentes impliquaient une structure en sandwich d’isolants magnétiques et d’autres supraconducteurs. »
À l’avenir, de nouvelles études pourraient tenter de réaliser le système modèle proposé par ces chercheurs dans un cadre expérimental, en examinant plus avant ses propriétés et son potentiel pour les applications de l’informatique quantique. Pendant ce temps, Sudbø et Mæland prévoient d’explorer théoriquement d’autres voies possibles pour atteindre une supraconductivité non conventionnelle.
« En termes généraux, nous poursuivrons la supraconductivité non conventionnelle et les voies vers la supraconductivité topologique dans les hétérostructures impliquant des isolants magnétiques avec des états fondamentaux inhabituels et non conventionnels ainsi que de nouveaux types d’excitations de spin hors de l’état fondamental », a déclaré Sudbø.
Plus d’information:
Kristian Mæland et al, Supraconductivité topologique médiée par les magnons skyrmioniques, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.156002
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