Des chercheurs de l'Institut Leibniz de recherche sur l'état solide et les matériaux de l'IFW Dresden, en Allemagne, ont trouvé la preuve de la supraconductivité de surface dans une classe de matériaux topologiques connus sous le nom de semi-métaux de Weyl. Il est intéressant de noter que la supraconductivité, qui provient des électrons confinés dans ce que l’on appelle les arcs de Fermi, est légèrement différente sur les surfaces supérieure et inférieure de l’échantillon étudié. Le phénomène pourrait être utilisé pour créer des états Majorana – des quasi-particules très recherchées qui pourraient constituer des bits quantiques extrêmement stables et tolérants aux pannes pour les ordinateurs quantiques de nouvelle génération. Pendant ce temps, un autre groupe de la Penn State University aux États-Unis a fabriqué un supraconducteur topologique chiral en combinant deux matériaux magnétiques. Les états de Majorana pourraient également être trouvés dans ce nouveau matériau.

Les isolateurs topologiques isolent dans la masse mais conduisent extrêmement bien l'électricité sur leurs bords via des états électroniques spéciaux, topologiquement protégés. Ces états topologiques sont protégés des fluctuations de leur environnement et les électrons qu’ils contiennent ne sont pas rétrodiffusés. Étant donné que la rétrodiffusion est le principal processus de dissipation en électronique, cela signifie que ces matériaux pourraient être utilisés à l’avenir pour fabriquer des appareils électroniques à haute efficacité énergétique.

Les semi-métaux de Weyl sont une classe de matériaux topologiques récemment découverte dans laquelle les excitations électroniques se comportent comme des fermions de Weyl sans masse – prédits pour la première fois en 1929 par le physicien théoricien Herman Weyl comme solution de l’équation de Dirac. Ces fermions se comportent très différemment des électrons des métaux ordinaires ou des semi-conducteurs dans la mesure où ils présentent un effet magnétique chiral. Cela se produit lorsqu'un métal Weyl est placé dans un champ magnétique, ce qui génère un courant de particules Weyl positives et négatives qui se déplacent parallèlement et antiparallèlement au champ.

Les fermions qui peuvent être décrits par la théorie de Weyl peuvent apparaître comme des quasiparticules dans les solides dont les bandes d'énergie électronique linéaires se croisent au niveau de ce que l'on appelle les « nœuds » (Weyl), dont l'existence dans la structure globale des bandes s'accompagne inévitablement de la formation de « nœuds de Fermi ». arcs » sur la structure de bande de surface qui relient essentiellement des paires de « projections » de nœuds de Weyl de chiralité opposée. Chaque arc forme la moitié d'une boucle sur la surface supérieure d'un échantillon complétée par un arc sur la surface inférieure.

Électrons confinés aux arcs de Fermi

Dans l'étude de l'IFW Dresden, détaillée dans Nature, une équipe de chercheurs dirigée par Sergueï Borisenko a étudié le semi-métal platine-bismuth de Weyl (PtBi₂). Ce matériau possède des électrons confinés aux arcs de Fermi à sa surface. Fondamentalement, les arcs sur les surfaces supérieure et inférieure de ce matériau sont supraconducteurs, ce qui signifie que les électrons s'y apparient et se déplacent sans résistance. C'est la première fois que la supraconductivité est observée dans les arcs de Fermi, dont la majeure partie reste métallique, disent les chercheurs, et cet effet est possible grâce au fait que les arcs se trouvent près de la surface de Fermi (la limite entre les électrons occupés et inoccupés). niveaux) lui-même.

L’équipe a obtenu ses résultats en utilisant une technique appelée spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES). Il s'agit d'une expérience complexe dans laquelle une source de lumière laser délivre des photons de très faible énergie à des températures très basses et à des angles d'émission inhabituellement élevés, explique Borisenko. Cette lumière est suffisamment énergétique pour expulser les électrons de l’échantillon et un détecteur mesure à la fois l’énergie et l’angle avec lequel les électrons sortent du matériau. La structure électronique du cristal peut être reconstruite à partir de ces informations.

« Nous avons étudié le PtBi₂ auparavant avec le rayonnement synchrotron et, pour être honnête, nous ne nous attendions à rien d'inhabituel », déclare Borisenko. "Tout à coup, cependant, nous sommes tombés sur une caractéristique très nette, brillante et hautement localisée en termes d'énergie finale d'impulsion - il s'est avéré qu'il s'agissait du pic le plus étroit jamais enregistré dans l'histoire de la photoémission à partir de solides."

Dans leurs mesures, les chercheurs ont également observé l’ouverture d’une brèche énergétique supraconductrice au sein des arcs de Fermi. Puisque seuls ces arcs présentaient des signes d'écart, cela signifie que la supraconductivité est entièrement confinée aux surfaces supérieure et inférieure de l'échantillon, formant une sorte de sandwich supraconducteur-métal-supraconducteur (la majeure partie de l'échantillon étant métallique comme mentionné). Cette structure représente une « jonction SNS-Josephson » intrinsèque, explique Borisenko.

Une jonction Josephson réglable

Et ce n'est pas tout : car les surfaces supérieure et inférieure du PtBi₂ ont des arcs de Fermi distincts, les deux surfaces deviennent supraconductrices à des températures de transition différentes, ce qui signifie que le matériau est une jonction Josephson accordable. De telles structures sont très prometteuses pour des applications telles que les magnétomètres sensibles et les qubits supraconducteurs.

En théorie, PtBi₂ pourrait également être utilisé pour créer des quasiparticules appelées Modes zéro Majorana, qui devrait provenir de la supraconductivité topologique. S'ils sont démontrés dans une expérience, ils pourraient être utilisés comme qubits extrêmement stables et tolérants aux pannes pour les ordinateurs quantiques de nouvelle génération, explique Borisenko. « En effet, nous étudions actuellement la possibilité d’une anisotropie dans la brèche supraconductrice du PtBi pur.₂ et essayer de découvrir des objets similaires dans des monocristaux modifiés du matériau pour trouver des moyens d'y réaliser une supraconductivité topologique », explique-t-il. Monde de la physique.

Les modes zéro de Majorana ne sont cependant pas faciles à détecter, mais dans le PtBi₂ ils pourraient apparaître lorsque les brèches supraconductrices s'ouvriront dans les arcs de Fermi. Des analyses beaucoup plus détaillées de la structure électronique du matériau seront toutefois nécessaires pour le confirmer, estime Borisenko.

Combiner deux matériaux magnétiques

Dans une étude distincte, des chercheurs de la Penn State University ont empilé un isolant topologique ferromagnétique et un chalcogénure de fer antiferromagnétique (FeTe). Ils ont observé une supraconductivité chirale robuste à l’interface entre les deux matériaux – ce qui est inattendu puisque la supraconductivité et le ferromagnétisme sont normalement en concurrence l’un avec l’autre, explique un membre de l’équipe d’étude. Liu Chao-Xing.

"C'est en fait assez intéressant car nous avons deux matériaux magnétiques non supraconducteurs, mais nous les avons assemblés et l'interface entre ces deux composés produit une supraconductivité très robuste", explique un membre de l'équipe. Cui Zu Chang. "Le chalcogénure de fer est antiferromagnétique, et nous prévoyons que sa propriété antiferromagnétique soit affaiblie autour de l'interface pour donner naissance à la supraconductivité émergente, mais nous avons besoin de plus d'expériences et de travaux théoriques pour vérifier si cela est vrai et clarifier le mécanisme supraconducteur."

Encore une fois, le système, qui est détaillé dans Sciences, pourrait constituer une plateforme prometteuse pour explorer la physique de Majorana, dit-il.

Borisenko dit que les données des chercheurs de Penn State sont « très intéressantes » et que, comme dans les travaux de son groupe, Liu, Chang et leurs collègues semblent avoir trouvé des preuves d'une supraconductivité inhabituelle, bien qu'à un type d'interface différent. « Dans notre travail, la surface est une interface entre le volume et le vide plutôt qu'entre deux matériaux », explique-t-il.

Les chercheurs de Penn State visent également à prouver la supraconductivité topologique, mais ils ont ajouté les ingrédients nécessaires – rupture de symétrie et topologie – de manière plus artificielle en réunissant les matériaux pertinents pour former une hétérostructure, explique-t-il. "Dans notre cas, en raison de la nature unique des semi-métaux Weyl, ces ingrédients sont naturellement présents dans un seul matériau."

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• PlatoData.Network Ai générative verticale. Autonomisez-vous. Accéder ici.
• PlatoAiStream. Intelligence Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• PlatonESG. Carbone, Technologie propre, Énergie, Environnement, Solaire, La gestion des déchets. Accéder ici.
• PlatoHealth. Veille biotechnologique et essais cliniques. Accéder ici.
• La source: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/