Le supraconducteur uniquement en surface est le plus étrange de son genre

Katja Lesser

Quelque chose d’étrange se passe à l’intérieur du matériau platine-bismuth-deux (PtBi₂). Une nouvelle étude par des chercheurs de IFW Dresden et du Cluster d’Excellence ct.qmat démontre que bien que PtBi₂ puisse ressembler à un cristal gris brillant typique, les électrons qui s’y déplacent font certaines choses jamais vues auparavant.

En 2024, l’équipe de recherche a démontré que les surfaces supérieure et inférieure du matériau supraconductent, ce qui signifie que les électrons s’apparient et se déplacent sans résistance. Maintenant, ils révèlent que cet appariement fonctionne différemment de tout supraconducteur que nous ayons vu auparavant. De manière attrayante, les bords autour des surfaces supraconductrices contiennent des particules de Majorana longtemps recherchées, qui pourraient être utilisées comme bits quantiques tolérants aux pannes (qubits) dans les ordinateurs quantiques.

Trois étapes vers un supraconducteur topologique unique

Nous pouvons décomposer l’étrange supraconductivité de PtBi₂ en trois étapes.

Premièrement, certains électrons sont confinés aux surfaces supérieure et inférieure du matériau. C’est une propriété dite ‘topologique’ de PtBi₂, causée par des interactions entre les électrons et les atomes soigneusement arrangés dans le matériau cristallin. Il est important de noter que les propriétés topologiques sont robustes : elles ne peuvent pas changer à moins que vous ne changiez la symétrie de l’ensemble du matériau, soit en modifiant toute la structure cristalline, soit en appliquant un champ électromagnétique.

Dans PtBi₂, les électrons confinés à la surface supérieure sont complétés par ceux liés à la surface inférieure, peu importe le nombre de couches atomiques entre ces surfaces. Et si vous coupiez le cristal en deux, les nouvelles surfaces supérieure et inférieure hébergeraient automatiquement aussi des électrons complémentaires confinés à la surface.

Deuxièmement, ces électrons liés à la surface s’apparient à basse température, leur permettant de se déplacer sans aucune résistance. Le reste des électrons ne s’apparie pas et continue de se comporter comme des électrons normaux. Cela fait de PtBi₂ un sandwich supraconducteur naturel, avec des surfaces supérieure et inférieure supraconductrices et un intérieur métallique normal.

La nature topologique des électrons de surface fait de PtBi₂ un supraconducteur topologique. Il n’y a qu’une poignée d’autres matériaux candidats supposés avoir une supraconductivité topologique intrinsèque, et à ce jour aucun d’entre eux n’est soutenu par des preuves expérimentales convaincantes, cohérentes ou concluantes.

Enfin, de nouvelles mesures d’une résolution exceptionnellement élevée du laboratoire du Dr Sergey Borisenko à l’Institut Leibniz pour la recherche sur l’état solide et les matériaux (IFW Dresden) révèlent que tous les électrons liés à la surface ne s’apparient pas de manière égale. Remarquablement, les électrons de surface se déplaçant le long de six directions symétriques refusent résolument de s’apparier. Ces directions reflètent la symétrie de rotation triple de la disposition des atomes dans la surface du matériau.

Dans les supraconducteurs normaux, tous les électrons s’apparient quelle que soit la direction dans laquelle ils se déplacent. Certains supraconducteurs non conventionnels, comme les matériaux à base de cuprate célèbres pour devenir supraconducteurs à des températures plus élevées, ont un appariement plus restreint avec une symétrie de rotation quadruple. PtBi₂ est le premier supraconducteur montrant un appariement restreint avec une symétrie de rotation sextuple.

« Nous n’avons jamais vu cela auparavant. Non seulement PtBi₂ est un supraconducteur topologique, mais l’appariement des électrons qui entraîne cette supraconductivité est différent de tous les autres supraconducteurs que nous connaissons, » déclare Borisenko. « Nous ne comprenons pas encore comment cet appariement se produit. »

Les bords piègent les particules de Majorana insaisissables

La nouvelle étude confirme également que PtBi₂ offre une nouvelle façon de produire des particules de Majorana longtemps recherchées.

« Nos calculs démontrent que la supraconductivité topologique dans PtBi₂ crée automatiquement des particules de Majorana qui sont piégées le long des bords du matériau. En pratique, nous pourrions artificiellement créer des bords d’étape dans le cristal, pour créer autant de Majoranas que nous le souhaitons, » note le Prof. Jeroen van den Brink, Directeur de l’Institut IFW pour la physique théorique de l’état solide et chercheur principal du Cluster d’Excellence ct.qmat Würzburg-Dresden.

Une paire de particules de Majorana agit comme un seul électron, mais individuellement, elles se comportent très différemment. Ce concept d’‘électrons divisés’ est le fondement de l’informatique quantique topologique, qui vise à construire des qubits plus stables. La séparation des paires de particules de Majorana les protège contre le bruit et les erreurs.

Maintenant que la supraconductivité unique de PtBi₂ et les particules de Majorana associées ont été trouvées, une prochaine étape est de les contrôler. Par exemple, amincir le matériau changera la ‘garniture de sandwich’ non supraconductrice, la transformant potentiellement d’un métal conducteur en un isolant. Cela signifie également que les électrons non supraconducteurs ne peuvent pas interférer avec l’utilisation des Majoranas comme qubits. Alternativement, l’application d’un champ magnétique déplacera les niveaux d’énergie des électrons et pourrait, par exemple, amener les particules de Majorana à se déplacer des bords vers les coins du matériau.

S. Changdar, O. Suvorov, A. Kuibarov, S. Thirupathaiah, G. Shipunov, S. Aswartham, S. Wurmehl, I. Kovalchuk, K. Koepernik, C. Timm, B. Büchner, I. Cosma Fulga, S. Borisenko, J. van den Brink. Nature (2025)

Article : Topological nodal i-wave superconductivity in PtBi₂ – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude

Source : TU Dresden