Un nouveau type de vortex dans les supraconducteurs

Dans le monde des supraconducteurs, d’étranges tourbillons d’électrons, connus sous le nom de vortex quantiques, peuvent se produire et ont d’importantes implications dans des applications comme les capteurs quantiques. Aujourd’hui, un nouveau type de vortex supraconducteur a été découvert par une équipe internationale de chercheurs.

Egor Babaev, professeur à l’Institut Royal de Technologie KTH de Stockholm, explique que cette étude revisite la compréhension actuelle du flux électronique dans les supraconducteurs.

Cette nouvelle approche s’appuie sur les travaux concernant les vortex quantiques, reconnus lors de l’attribution du Prix Nobel en 2003. Les chercheurs de KTH * ont découvert que le flux magnétique produit par les vortex dans un supraconducteur peut se diviser en une gamme de valeurs plus large qu’on ne le pensait.

Cette découverte offre un nouvel éclairage sur les fondamentaux de la supraconductivité et pourrait trouver des applications dans l’électronique supraconductrice.

Un vortex de flux magnétique se produit lorsqu’un champ magnétique externe est appliqué à un supraconducteur. Le champ magnétique pénètre le supraconducteur sous forme de tubes de flux magnétique quantique qui forment des vortex.

Egor Babaev précise que les recherches initiales soutenaient que les vortex quantiques traversaient les supraconducteurs en transportant chacun un quantum de flux magnétique. Cependant, la possibilité de fractions arbitraires de flux quantique n’était pas envisagée dans les théories antérieures de la supraconductivité.

À l’aide du Dispositif d’Interférence Quantique Supraconducteur (SQUID) de l’Université de Stanford, les coauteurs de Babaev, le chercheur Yusuke Iguchi et la professeure Kathryn A. Moler, ont démontré à un niveau microscopique que les vortex quantiques peuvent exister dans une seule bande électronique. L’équipe a réussi à créer et à déplacer ces vortex quantiques fractionnaires, déclare Moler.

« Le professeur Babaev me disait depuis des années que nous pourrions observer un tel phénomène, mais je n’y ai cru que lorsque le Dr. Iguchi l’a réellement observé et réalisé un certain nombre de vérifications détaillées« , dit-elle.

Les chercheurs de Stanford ont trouvé l’observation initiale de ce phénomène « extrêmement inhabituelle », selon Iguchi, au point qu’ils ont répété l’expérience 75 fois à différents endroits et températures.

Ce travail confirme une prédiction que Egor Babaev avait publiée il y a 20 ans, selon laquelle dans certains types de cristaux, une partie d’une population d’électrons d’un matériau supraconducteur peut former un vortex circulant dans le sens des aiguilles d’une montre, tandis que d’autres électrons peuvent former un vortex circulant dans le sens inverse simultanément. « Ces tourbillons quantiques combinés peuvent transporter une fraction arbitraire de flux quantique« , déclare-t-il.

« Cela révise notre compréhension des vortex quantiques dans les supraconducteurs« , ajoute-t-il. Moler a confirmé cette conclusion. « J’étudie les vortex dans des supraconducteurs innovants depuis plus de 25 ans et je n’ai jamais vu cela auparavant« , déclare-t-elle.

Babaev estime que la robustesse des vortex quantiques et la possibilité de les contrôler suggèrent qu’ils pourraient potentiellement être utilisés comme porteurs d’information dans les ordinateurs supraconducteurs.

« Les connaissances que nous acquérons, les méthodes spectaculaires qui ont été introduites par nos collègues le Dr. Iguchi et la professeure Moler à Stanford, pourraient à long terme être potentiellement utiles pour certaines plateformes de calcul quantique« , conclut Babaev.

Qu’est ce qu’un Vortex quantique ?

Un vortex quantique est une structure topologique qui se forme dans certains systèmes quantiques, tels que les superfluides quantiques et les condensats de Bose-Einstein. Il est caractérisé par une singularité dans la phase du champ quantique, où l’énergie est concentrée en un point central entouré d’un courant circulaire.

Dans un superfluide quantique, les atomes se comportent comme des ondes et peuvent former des tourbillons quantiques appelés vortex quantiques. Ces tourbillons se forment lorsque les atomes se déplacent autour d’un point central, créant un courant quantique fermé. Les vortex quantiques ont des propriétés quantiques uniques, telles que le fait que leur circulation soit quantifiée et qu’ils transportent un moment angulaire quantifié.

Les vortex quantiques jouent un rôle important dans la physique quantique et sont étudiés dans divers domaines, tels que la physique de la matière condensée et la physique des particules. Ils peuvent se former dans des conditions spécifiques, par exemple lorsqu’un gaz d’atomes ultrafroids est refroidi en dessous d’une certaine température critique, formant un condensat de Bose-Einstein.

Publication

Superconducting vortices carrying a temperature-dependent fraction of the flux quantum, Science, DOI: 10.1126/science.abp9979

Légende illustration / Une nouvelle étude du KTH Royal Institute of Technology et de l’université de Stanford révise notre compréhension des tourbillons quantiques dans les supraconducteurs. Illustration d’une représentation artistique des tourbillons quantiques. (crédit : Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory)

* en collaboration avec leurs homologues de l’Université de Stanford, de l’Institut TD Lee à Shanghai et de l’AIST à Tsukuba,