S’il ressemble à un canard, nage comme un canard et cancane comme un canard, alors c’est probablement un canard –

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  • Les scientifiques à la recherche d’un type non conventionnel de supraconducteur ont produit les preuves les plus convaincantes à ce jour qu’ils en ont trouvé un. Dans une paire d’articles, des chercheurs du Quantum Materials Center (QMC) de l’Université du Maryland (UMD) et des collègues ont montré que le ditellurure d’uranium (ou UTe2 en abrégé) présente de nombreuses caractéristiques d’un supraconducteur topologique – un matériau qui peut déverrouiller de nouvelles façons de construire des ordinateurs quantiques et d’autres appareils futuristes.

    “La nature peut être méchante”, déclare Johnpierre Paglione, professeur de physique à l’UMD, directeur de QMC et auteur principal de l’un des articles. “Il pourrait y avoir d’autres raisons pour lesquelles nous voyons toutes ces choses farfelues, mais honnêtement, dans ma carrière, je n’ai jamais rien vu de tel.”

    Tous les supraconducteurs transportent des courants électriques sans aucune résistance. C’est un peu leur truc. Le câblage derrière vos murs ne peut rivaliser avec cet exploit, ce qui est l’une des nombreuses raisons pour lesquelles de grandes bobines de fils supraconducteurs et non des fils de cuivre normaux sont utilisées dans les appareils d’IRM et autres équipements scientifiques depuis des décennies.

    Mais les supraconducteurs atteignent leur supraconductance de différentes manières. Depuis le début des années 2000, les scientifiques recherchent un type spécial de supraconducteur, qui repose sur une chorégraphie complexe des particules subatomiques qui transportent réellement son courant.

    Cette chorégraphie a un metteur en scène surprenant : une branche des mathématiques appelée topologie. La topologie est une manière de regrouper des formes qui peuvent être doucement transformées les unes dans les autres en poussant et en tirant. Par exemple, une boule de pâte peut être façonnée en une miche de pain ou une tarte à pizza, mais vous ne pouvez pas en faire un beignet sans y percer un trou. Le résultat est que, topologiquement parlant, un pain et une tarte sont identiques, alors qu’un beignet est différent. Dans un supraconducteur topologique, les électrons effectuent une danse les uns autour des autres tout en encerclant quelque chose qui ressemble au trou au centre d’un beignet.

    Malheureusement, il n’y a pas de bonne façon d’ouvrir un supraconducteur et de zoomer sur ces mouvements de danse électroniques. À l’heure actuelle, la meilleure façon de savoir si des électrons boogient ou non sur un beignet abstrait est d’observer comment un matériau se comporte lors d’expériences. Jusqu’à présent, aucun supraconducteur n’a été démontré de manière concluante comme étant topologique, mais les nouveaux articles montrent que UTe2 ressemble, nage et cancane comme le bon type de canard topologique.

    Une étude, réalisée par l’équipe de Paglione en collaboration avec le groupe d’Aharon Kapitulnik de l’Université de Stanford, révèle que non pas un mais deux types de supraconductivité existent simultanément dans UTe2. En utilisant ce résultat, ainsi que la façon dont la lumière est altérée lorsqu’elle rebondit sur le matériau (en plus des preuves expérimentales précédemment publiées), ils ont pu réduire les types de supraconductivité présents à deux options, que les théoriciens croient toutes deux sont topologiques. Ils ont publié leurs conclusions le 15 juillet 2021 dans la revue La science.

    Dans une autre étude, une équipe dirigée par Steven Anlage, professeur de physique à l’UMD et membre de QMC, a révélé un comportement inhabituel à la surface du même matériau. Leurs résultats sont cohérents avec le phénomène longtemps recherché des modes de Majorana protégés topologiquement. Les modes Majorana, des particules exotiques qui se comportent un peu comme la moitié d’un électron, devraient apparaître à la surface des supraconducteurs topologiques. Ces particules excitent particulièrement les scientifiques car elles pourraient constituer la base d’ordinateurs quantiques robustes. Anlage et son équipe ont rapporté leurs résultats dans un article publié le 21 mai 2021 dans la revue Nature Communications.

    Les supraconducteurs ne révèlent leurs caractéristiques spéciales qu’en dessous d’une certaine température, tout comme l’eau ne gèle qu’en dessous de zéro Celsius. Dans les supraconducteurs normaux, les électrons s’apparient en une ligne conga à deux personnes, se suivant à travers le métal. Mais dans de rares cas, les couples d’électrons exécutent une danse circulaire l’un autour de l’autre, plus proche d’une valse. Le cas topologique est encore plus spécial : la danse circulaire des électrons contient un vortex, comme l’œil au milieu des vents tourbillonnants d’un ouragan. Une fois que les électrons s’apparient de cette manière, le vortex est difficile à éliminer, ce qui distingue un supraconducteur topologique d’un supraconducteur simple par beau temps.

    En 2018, l’équipe de Paglione, en collaboration avec l’équipe de Nicholas Butch, professeur agrégé adjoint de physique à l’UMD et physicien au National Institute of Standards and Technology (NIST), a découvert de manière inattendue que UTe2 était un supraconducteur. Tout de suite, il était clair que ce n’était pas votre supraconducteur moyen. Plus particulièrement, il semblait déphasé par de grands champs magnétiques, qui détruisent normalement la supraconductivité en divisant les couples de danse électronique. C’était le premier indice que les paires d’électrons dans UTe2 se tiennent plus étroitement que d’habitude, probablement parce que leur danse appariée est circulaire. Cela a suscité beaucoup d’intérêt et d’autres recherches de la part d’autres dans le domaine.

    “C’est un peu comme un supraconducteur d’orage parfait”, explique Anlage. “Cela combine beaucoup de choses différentes que personne n’a jamais vues combinées auparavant.”

    Dans le nouveau La science papier, Paglione et ses collaborateurs ont rapporté deux nouvelles mesures qui révèlent la structure interne de UTe2. L’équipe UMD a mesuré la chaleur spécifique du matériau, qui caractérise la quantité d’énergie nécessaire pour le chauffer d’un degré. Ils ont mesuré la chaleur spécifique à différentes températures de départ et l’ont observée changer à mesure que l’échantillon devenait supraconducteur.

    “Normalement, il y a un grand saut de chaleur spécifique à la transition supraconductrice”, explique Paglione. “Mais nous voyons qu’il y a en fait deux sauts. C’est donc la preuve de deux transitions supraconductrices, pas une seule. Et c’est très inhabituel.”

    Les deux sauts suggèrent que les électrons dans UTe2 peuvent s’apparier pour exécuter l’un ou l’autre de deux modèles de danse distincts.

    Dans une deuxième mesure, l’équipe de Stanford a projeté une lumière laser sur un morceau d’UTe2 et a remarqué que la lumière réfléchie était un peu tordue. S’ils envoyaient de la lumière de haut en bas, la lumière réfléchie oscillait principalement de haut en bas, mais aussi un peu à gauche et à droite. Cela signifiait que quelque chose à l’intérieur du supraconducteur tordait la lumière et ne la détordait pas en sortant.

    L’équipe de Kapitulnik à Stanford a également découvert qu’un champ magnétique pouvait contraindre UTe2 à tordre la lumière dans un sens ou dans l’autre. S’ils appliquaient un champ magnétique pointant vers le haut lorsque l’échantillon devenait supraconducteur, la lumière sortant serait inclinée vers la gauche. S’ils pointaient le champ magnétique vers le bas, la lumière s’inclinait vers la droite. Cela indiquait aux chercheurs que, pour les électrons dansant à l’intérieur de l’échantillon, il y avait quelque chose de spécial dans les directions haut et bas du cristal.

    Pour déterminer ce que tout cela signifiait pour les électrons dansant dans le supraconducteur, les chercheurs ont fait appel à Daniel F. Agterberg, théoricien et professeur de physique à l’Université du Wisconsin-Milwaukee et co-auteur de la La science papier. Selon la théorie, la façon dont les atomes d’uranium et de tellure sont disposés à l’intérieur du cristal UTe2 permet aux couples d’électrons de faire équipe dans huit configurations de danse différentes. Étant donné que la mesure de la chaleur spécifique montre que deux danses se déroulent en même temps, Agterberg a énuméré toutes les différentes manières d’associer ces huit danses. La nature tordue de la lumière réfléchie et le pouvoir coercitif d’un champ magnétique le long de l’axe haut-bas réduisent les possibilités à quatre. Les résultats précédents montrant la robustesse de la supraconductivité d’UTe2 sous de grands champs magnétiques l’ont encore contraint à seulement deux de ces paires de danses, qui forment toutes deux un vortex et indiquent une danse orageuse et topologique.

    “Ce qui est intéressant, c’est qu’étant donné les contraintes de ce que nous avons vu expérimentalement, notre meilleure théorie pointe vers une certitude que l’état supraconducteur est topologique”, explique Paglione.

    Si la nature de la supraconductivité dans un matériau est topologique, la résistance ira toujours à zéro dans la masse du matériau, mais à la surface quelque chose d’unique se produira : des particules, appelées modes de Majorana, apparaîtront et formeront un fluide qui n’est pas un supraconducteur. Ces particules restent également en surface malgré des défauts du matériau ou de petites perturbations de l’environnement. Les chercheurs ont proposé que, grâce aux propriétés uniques de ces particules, elles pourraient constituer une bonne base pour les ordinateurs quantiques. Le codage d’une information quantique en plusieurs Majoranas très éloignées les rend pratiquement insensibles aux perturbations locales qui, jusqu’à présent, étaient le fléau des ordinateurs quantiques.

    L’équipe d’Anlage voulait sonder la surface d’UTe2 plus directement pour voir s’ils pouvaient repérer les signatures de cette mer de Majorana. Pour ce faire, ils ont envoyé des micro-ondes vers un morceau UTe2 et mesuré les micro-ondes qui sortaient de l’autre côté. Ils ont comparé les résultats avec et sans l’échantillon, ce qui leur a permis de tester simultanément les propriétés du volume et de la surface.

    La surface laisse une empreinte sur la force des micro-ondes, conduisant à une sortie qui monte et descend en synchronisation avec l’entrée, mais légèrement modérée. Mais comme la masse est un supraconducteur, il n’offre aucune résistance aux micro-ondes et ne modifie pas leur force. Au lieu de cela, il les ralentit, provoquant des retards qui désynchronisent la sortie de haut en bas avec l’entrée. En examinant les parties désynchronisées de la réponse, les chercheurs ont déterminé combien d’électrons à l’intérieur du matériau participent à la danse appariée à différentes températures. Ils ont constaté que le comportement était en accord avec les danses circulaires suggérées par l’équipe de Paglione.

    Peut-être plus important encore, la partie synchrone de la réponse micro-ondes a montré que la surface de UTe2 n’est pas supraconductrice. C’est inhabituel, car la supraconductivité est généralement contagieuse : mettre un métal ordinaire près d’un supraconducteur étend la supraconductivité au métal. Mais la surface d’UTe2 n’a pas semblé capter la supraconductivité de la masse – tout comme prévu pour un supraconducteur topologique – et a plutôt répondu aux micro-ondes d’une manière qui n’a jamais été vue auparavant.

    “La surface se comporte différemment de n’importe quel supraconducteur que nous ayons jamais examiné”, explique Anlage. « Et puis la question est : « Quelle est l’interprétation de ce résultat anormal ? » Et l’une des interprétations, qui serait cohérente avec toutes les autres données, est que nous avons cet état de surface topologiquement protégé qui est un peu comme une enveloppe autour du supraconducteur dont vous ne pouvez pas vous débarrasser.”

    Il pourrait être tentant de conclure que la surface d’UTe2 est recouverte d’une mer de modes Majorana et de crier victoire. Cependant, les réclamations extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires. Anlage et son groupe ont essayé de trouver toutes les explications alternatives possibles à ce qu’ils observaient et les ont systématiquement exclues, de l’oxydation à la surface à la lumière frappant les bords de l’échantillon. Pourtant, il est possible qu’une explication alternative surprenante reste à découvrir.

    “Au fond de votre tête, vous pensez toujours ‘Oh, c’était peut-être des rayons cosmiques’, ou ‘C’était peut-être autre chose'”, dit Anlage. “Vous ne pouvez jamais éliminer à 100% toutes les autres possibilités.”

    Pour sa part, Paglione dit que le pistolet fumant ne sera rien de moins que l’utilisation des modes Majorana de surface pour effectuer un calcul quantique. Cependant, même si la surface d’UTe2 a vraiment un tas de modes Majorana, il n’y a actuellement aucun moyen simple de les isoler et de les manipuler. Cela pourrait être plus pratique avec un film mince d’UTe2 au lieu des cristaux (plus faciles à produire) qui ont été utilisés dans ces expériences récentes.

    “Nous avons quelques propositions pour essayer de faire des films minces”, dit Paglione. « Parce que c’est de l’uranium et qu’il est radioactif, cela nécessite un nouvel équipement. La prochaine tâche serait d’essayer de voir si nous pouvons faire pousser des films. Et puis la prochaine tâche serait d’essayer de fabriquer des appareils. Cela prendrait donc plusieurs années, mais ce n’est pas fou.”

    Que UTe2 s’avère être le supraconducteur topologique tant attendu ou simplement un pigeon qui a appris à nager et à cancaner comme un canard, Paglione et Anlage sont ravis de continuer à découvrir ce que le matériau a en réserve.

    “Il est assez clair cependant qu’il y a beaucoup de physique intéressante dans le matériau”, dit Anlage. “Que ce soit ou non Majoranas à la surface est certainement un problème conséquent, mais c’est l’exploration d’une nouvelle physique qui est la chose la plus excitante.”

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