Des perturbations dans un supraconducteur magnétique étudiées par une équipe franco-russe

Les travaux conjoints de physiciens français et russes permettront peut-être un petit pas de plus vers l’ordinateur quantique. Ces équipes appartiennent à l’Institut des nanosciences de Paris, le Laboratoire de physique des solides de l’Université Paris-Sud, le laboratoire de physique et d’étude des matériaux de ParisTech, l’Institut de Physique et Technique de Moscou (MFTI) et l’Institut des matériaux Jean Rouxel de l’Université de Nantes.

Les chercheurs ont montré que des atomes magnétiques dans la couche bidimensionnelle d’un supraconducteur engendrent des perturbations, ressemblant à des « nanoétoiles » oscillantes. La géométrie dimensionnelle, et non tridimensionnelle, conduit à une augmentation de la portée de la distribution de l’état Yu-Shiba-Roussinov (YSR) ; les « étoiles » sont plus stables et plus adaptées à la création de nouveaux états topologiquement protégés. Les chaînes d’état YSR permettent l’obtention d’anyons [1] non-abéliens, qui à leur tour peuvent servir d’éléments pour des futurs ordinateurs quantiques.

L’état YSR a été prédit indépendamment, dans la seconde moitié des années 1960, par les trois physiciens Yu (Chine), Shiba (Japon) et Roussinov (URSS). Il stipule que les atomes magnétiques dopant un supraconducteur devraient engendrer autour d’eux des ondes d’oscillations spatiales d’électrons et de trous normales. Les calculs ont montré qu’aux voisinages de ces états des régions de conduction topologique peuvent apparaître, où le courant peut circulent dans un seul sens. Cette prédiction n’a été confirmée que récemment.

Ces recherches, menées à Paris, ont mis en œuvre des réseaux cristallins de diséléniure de nobium (NbSe2) ayant une épaisseur de deux à trois atomes. À l’aide d’un microscope à effet tunnel à très basse température, les scientifiques ont observé des états YSR excités autour de certains atomes de fer magnétiques. Il s’avère que, dans ces supraconducteurs bidimensionnels, les états s’étendent sur des dizaines de nanomètres, soit dix fois plus que dans des supraconducteurs tridimensionnels habituels. De plus, l’espace perturbé prend la forme d’étoiles à six branches, alignées sur les axes de la maille cristalline.

Le “laboratoire des phénomènes quantiques topologiques dans les systèmes supraconducteurs” du MFTI est en cours d’équipement pour permettre des expérimentations similaires et complémentaires. Ce laboratoire créé en 2014 dans le cadre du programme d’excellence Mégagrant [2] par le professeur Goloebov de l’Université de Twente, vise l’étude des propriétés quantiques des nouveaux matériaux supraconducteurs et topologiquement protégés ainsi que les systèmes artificiels hybrides en découlant.

Durant ces 20 dernières années, les chercheurs ont tenté de créer des systèmes quantiques capables de dépasser les ordinateurs classiques à base de semi-conducteurs, dont le potentiel de développement est presque épuisé. Toute une gamme de systèmes est proposée. Le problème principal est la haute sensibilité du nanomonde aux influences extérieures qui détruisent l’état quantique. Une des approches les plus prometteuses est l’utilisation d’états électroniques topologiquement protégés, résistant à la décohérence. Les anyons non-abéliens seraient de très bons candidats. La théorie prédit que de tels anyons non-abéliens peuvent apparaître dans un milieu électronique dimensionnel dans un supraconducteur sous l’action d’un champ magnétique local. Les électrons acquièrent alors des états différents dans un même niveau, ce qui rend la superposition d’anyons idéalement protégée contre les perturbations.

Rédacteur : Aurélien Leynet – aurelien.leynet[at]diplomatie.gouv.fr

Sources : 1. Communiqué du MFTI ; 2. RIA Novosti ; 3. Ménard et coll., Coherent long-range magnetic bound states in a superconductor