Une batterie de phase pour les technologies quantiques

La première batterie à phase quantique a été réalisée. Elle consiste en un nanofil d’arséniure d’indium (InAs) en contact avec des fils supraconducteurs en aluminium et constitue un élément clé pour les technologies quantiques basées sur la cohérence de phase. Les piles font partie de la vie quotidienne. Une pile classique – la pile Volta, convertit l’énergie chimique en une tension, qui peut alimenter des circuits électroniques. Dans de nombreuses technologies quantiques, les circuits ou dispositifs sont basés sur des matériaux supraconducteurs. Dans ces matériaux, des courants peuvent circuler sans qu’une tension ne soit appliquée ; il n’est donc pas nécessaire d’avoir une pile classique dans un tel système. Ces courants sont appelés « supercourants » car ils ne présentent aucune perte d’énergie. Ils sont induits non pas par une tension mais par une différence de phase de la fonction d’onde du circuit quantique, qui est directement liée à la nature ondulatoire de la matière. Ainsi, un dispositif quantique capable de fournir une différence de phase persistante peut être considéré comme une batterie de phase quantique, qui induit des surintensités dans un circuit quantique. Dans ce travail, les auteurs présentent les résultats d’une collaboration théorique et expérimentale qui a conduit à la fabrication de la première batterie à phase quantique. L’idée a été conçue pour la première fois en 2015, par Sebastian Bergeret du groupe de physique mésoscopique du Centre de physique des matériaux (CFM, CSIC-UPV/EHU), une initiative conjointe du Consejo Superior de Investigaciones científicas (CSIC) et de l’Université du Pays Basque (UPV/EHU), et Ilya Tokatly, professeur d’Ikerbasque dans le groupe de nanobiospectroscopie de l’UPV/EHU, tous deux chercheurs associés au Centre international de physique de Donostia (DIPC). Ils ont proposé un système théorique avec les propriétés nécessaires pour construire la batterie de phase. Elle consiste en une combinaison de matériaux supraconducteurs et magnétiques ayant un effet relativiste intrinsèque, appelé couplage spin-orbite. Quelques années plus tard, Francesco Giazotto et Elia Strambini, de l’institut NEST-CNR de Pise, ont identifié une combinaison de matériaux appropriée et ont fabriqué la première batterie de phase quantique dont les résultats sont maintenant publiés dans la prestigieuse revue Nature Nanotechnology. Elle se compose d’un nanofil d’InAs dopé à l’azote formant le cœur de la batterie (la pile) et de fils supraconducteurs d’Al comme pôles. La batterie est chargée par l’application d’un champ magnétique externe, qui peut ensuite être désactivé. Cristina Sanz-Fernández et Claudio Guarcello, également de CFM, ont adapté la théorie pour simuler les résultats expérimentaux. L’avenir de cette batterie est encore amélioré dans les locaux de CFM grâce à une collaboration entre le laboratoire de nanophysique et le groupe de physique mésoscopique. Ces travaux contribuent aux énormes progrès réalisés dans la technologie quantique qui devraient révolutionner les techniques de calcul et de détection, ainsi que la médecine et les télécommunications dans un avenir proche. Credit: Design by Andrea Iorio