Des physiciens expérimentaux allemands ont démontré la possibilité de créer des effets supraconducteurs dans des matériaux spéciaux connus pour leurs propriétés électriques uniques limitées aux bords. Cette découverte permettrait d’explorer des états quantiques avancés, vitaux pour le développement d’ordinateurs quantiques stables et efficaces.
La supraconductivité est un phénomène où l’électricité circule sans résistance dans certains matériaux. L’effet Hall quantique anormal est un autre phénomène qui provoque également une absence de résistance, mais avec une particularité : il est confiné aux bords plutôt que de se propager partout.
La théorie prédit qu’une combinaison de la supraconductivité et de l’effet Hall quantique anormal donnera naissance à des particules topologiquement protégées appelées fermions de Majorana, potentiellement cruciales pour les technologies futures telles que les ordinateurs quantiques. Une telle combinaison peut être obtenue en induisant la supraconductivité dans le bord d’un isolant Hall quantique anormal déjà sans résistance.
L’état de bord de Majorana chiral, un type spécial de fermions de Majorana, est essentiel pour réaliser des qubits volants (ou bits quantiques) topologiquement protégés. Anjana Uday, doctorante en dernière année dans le groupe du Professeur Dr Yoichi Ando de l’Université de Cologne et première auteure de l’article, a expliqué : « Pour cette étude, nous avons utilisé des films minces de l’isolant Hall quantique anormal contactés par une électrode supraconductrice en niobium et tenté d’induire des états de Majorana chiraux à ses bords. »
Après cinq ans de travail acharné, l’objectif a été atteint : « Lorsque nous injectons un électron dans une borne du matériau isolant, il se reflète à une autre borne, non pas comme un électron mais comme un trou, qui est essentiellement un fantôme d’électron avec une charge opposée. Nous appelons ce phénomène réflexion d’Andreev croisée, et il nous permet de détecter la supraconductivité induite dans l’état de bord topologique. »
Gertjan Lippertz, chercheur postdoctoral dans le groupe Ando et co-premier auteur de l’article, a ajouté : « Cette expérience a été tentée par de nombreux groupes au cours des dix dernières années depuis la découverte de l’effet Hall quantique anormal, mais personne n’y était parvenu auparavant. »
La clé du succès réside dans le dépôt de films de l’isolant Hall quantique anormal, chaque étape de la fabrication du dispositif, ainsi que les mesures à très basse température, toutes réalisées dans le même laboratoire. Cette approche intégrée n’est pas possible ailleurs.
Les prochaines étapes incluent des expériences pour confirmer directement l’émergence des fermions de Majorana chiraux et élucider leur nature exotique. Comprendre et exploiter la supraconductivité topologique et les états de bord de Majorana chiraux pourrait transformer l’informatique quantique en fournissant des qubits stables, moins susceptibles de décohérence et de perte d’information.
Article : « Induced superconducting correlations in a quantum anomalous Hall insulator » – DOI: s41567-024-02574-1
