Percée en supraconductivité : des scientifiques découvrent un nouvel état de la matière quantique

Par Université Cornell29 août 2023

Les scientifiques de Cornell ont découvert un nouvel état de matière quantique dans le ditellurure d'uranium, qui pourrait révolutionner l'informatique quantique et la spintronique en formant la plate-forme matérielle pour les ordinateurs quantiques ultra-stables et en révélant de nouvelles voies pour identifier de tels états dans divers matériaux.

Researchers from Cornell University have identified a new state of matter in candidate topological superconductors, a discovery that may have far-reaching implications for both condensed matter physics and the fields of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">informatique quantique et spintronique.

Des chercheurs du Macroscopique Quantum Matter Group de Cornell ont découvert et visualisé un état cristallin mais supraconducteur dans un nouveau et inhabituel supraconducteur, le ditellurure d'uranium (UTe2), à l'aide de l'un des microscopes à effet tunnel Josephson à balayage millikelvin (SJTM) les plus puissants au monde. Ce « cristal à paire d’électrons triplet de spin » est un état jusqu’alors inconnu de la matière quantique topologique.

Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Nature. Qiangqiang Gu, chercheur postdoctoral travaillant dans le laboratoire du physicien JC Séamus Davis, professeur émérite James Gilbert White au Collège des arts et des sciences, a codirigé la recherche avec Joe Carroll de l'University College Cork et Shuqiu Wang de l'Université d'Oxford.

Les supraconducteurs sont topologiques lorsque le potentiel d'appariement présente une parité impaire, ce qui conduit chaque paire d'électrons à adopter un état de triplet de spin, les deux spins électroniques étant orientés dans la même direction. Les supraconducteurs topologiques font l'objet de recherches intenses de la part des physiciens car ils peuvent, en théorie, constituer la plate-forme matérielle des ordinateurs quantiques ultra-stables, a déclaré Gu.

Cependant, même après une décennie d'investigations intenses sur la supraconductivité topologique, aucun matériau massif n'a été définitivement reconnu comme supraconducteur à triple spin et à parité impaire, à l'exception du superfluide 3He, qui a également été découvert à Cornell. Récemment, le nouveau matériau exotique ditellurure d'uranium (UTe2) est apparu comme un candidat très prometteur pour cette classification. Cependant, son paramètre d’ordre supraconducteur reste insaisissable, a déclaré Gu.

En 2021, les physiciens théoriciens ont commencé à proposer que UTe2 soit en fait dans un état topologique d’onde de densité de paires (PDW). Aucune forme de matière quantique de ce type n’avait jamais été détectée.

En termes simples, un PDW est comme une danse stationnaire d’électrons appariés trouvés dans un supraconducteur, mais les paires forment des motifs cristallins périodiques dans l’espace.

"Notre équipe de Cornell a découvert le premier PDW jamais observé en 2016 à l'aide du microscope à effet tunnel Josephson à balayage à pointe supraconductrice que nous avons inventé à cet effet", a déclaré Gu. « Depuis lors, nous avons été pionniers dans les études SJTM à des températures millikelvins et avec une résolution énergétique de l’ordre du microvolt. Pour le projet UTe2, nous avons directement visualisé les modulations spatiales du potentiel d'appariement supraconducteur à l'échelle atomique et avons constaté qu'elles se modulent exactement comme prévu dans un état PDW, car la densité des paires d'électrons module périodiquement dans l'espace. Ce que nous avons détecté est un nouvel état de matière quantique – une onde de densité de paires topologiques composée de paires de Cooper spin-triplet.

Les ondes de densité à paires de Cooper sont une forme de matière quantique électronique dans laquelle des paires d'électrons se figent dans un état PDW supraconducteur, au lieu de former un fluide « supraconducteur » conventionnel dans lequel tous sont dans le même état de mouvement libre.

"La découverte du premier PDW dans les supraconducteurs à triple spin est passionnante", a déclaré Gu. « Les composés supraconducteurs à fermions lourds à base d’uranium constituent une classe nouvelle et exotique de matériaux qui constituent une plate-forme prometteuse pour la réalisation de la supraconductivité topologique. … Notre découverte scientifique souligne également la nature omniprésente de cet état quantique intrigant dans les supraconducteurs à ondes S, D et P, et elle met en lumière de nouvelles voies pour identifier de tels états dans un large spectre de matériaux.