Les physiciens ont observé un état quantique, théorisé il y a plus de 50 ans, en appariant des électrons dans un atome artificiel sur un supraconducteur, créant ainsi une version basique de la supraconductivité. Cette découverte met en valeur le comportement d’électrons appariés (bosons) qui peuvent coexister dans le même espace, contrairement aux électrons simples. Ce travail a des implications pour faire progresser la compréhension de la supraconductivité dans les structures nanométriques et son application potentielle dans les ordinateurs quantiques modernes.
Découverte de l’appariement d’électrons dans des atomes artificiels
Des chercheurs du Département de physique de l’Université de Hambourg ont observé un état quantique théoriquement prédit il y a plus de 50 ans par des théoriciens japonais, mais qui jusqu’à présent avait échappé à toute détection. En adaptant un artificiel atome À la surface d’un supraconducteur, les chercheurs ont réussi à apparier les électrons de ce que l’on appelle le point quantique, induisant ainsi la version la plus petite possible d’un supraconducteur. L’ouvrage paraît dans le dernier numéro de la revue Nature.
Comportement électronique et supraconductivité
Les électrons se repoussent généralement en raison de leur charge négative. Ce phénomène de répulsion joue un rôle important en influençant de nombreuses propriétés des matériaux, dont la résistance électrique. Cependant, la situation change radicalement si les électrons sont « collés » ensemble pour former des paires, devenant ainsi des bosons. Contrairement aux électrons solitaires qui se repoussent, les paires bosoniques peuvent coexister dans le même espace et exécuter des mouvements identiques.
Vue 3D de certaines structures construites atome par atome à partir d’argent (petites buttes). Une cage à électrons rectangulaire et circulaire est visible dans le quart supérieur gauche de l’image. Crédit : Lucas Schneider
L’une des propriétés les plus intrigantes des matériaux contenant ces paires d’électrons est la supraconductivité – la capacité de laisser passer un courant électrique sans aucune résistance. Au fil des années, la supraconductivité a été exploitée pour de nombreuses applications technologiques, telles que l’imagerie par résonance magnétique et les détecteurs de champ magnétique hautement sensibles. Avec la miniaturisation continue des appareils électroniques, on s’intéresse de plus en plus à comprendre comment la supraconductivité peut être obtenue dans des systèmes plus petits, à l’échelle nanométrique structures.
Appariement électronique dans les atomes artificiels
Des chercheurs du Département de physique et du pôle d’excellence « CUI : Advanced Imaging of Matter » de l’Université de Hambourg ont désormais réalisé l’appariement d’électrons dans un atome artificiel appelé point quantique, qui est le plus petit élément constitutif des dispositifs électroniques nanostructurés. À cette fin, des expérimentateurs dirigés par le Dr Jens Wiebe de l’Institut de nanostructure et de physique du solide ont enfermé les électrons dans de minuscules cages qu’ils ont construites à partir d’argent, atome par atome.
En couplant les électrons verrouillés à un supraconducteur élémentaire, les électrons ont hérité de la tendance à l’appariement du supraconducteur. En collaboration avec une équipe de physiciens théoriciens du Cluster, dirigée par le Dr Thore Posske, les chercheurs ont relié la signature expérimentale, un pic spectroscopique à très basse énergie, à l’état quantique prédit au début des années 70 du siècle dernier par Kazushige Machida et Fumiaki Shibata.
Bien que l’État ait jusqu’à présent échappé à la détection directe par des méthodes expérimentales, des recherches récentes menées par des équipes des Pays-Bas et du Danemark montrent qu’il est bénéfique pour supprimer le bruit indésirable dans les qubits transmon, un élément essentiel des ordinateurs quantiques modernes.
Dans une communication privée par courrier électronique, Kazushige Machida a écrit au premier auteur de la publication, le Dr Lucas Schneider : « Je vous remercie d’avoir « découvert » mon ancien article il y a un demi-siècle. J’ai longtemps pensé que les impuretés non magnétiques des métaux de transition produisaient l’état dans l’espace, mais son emplacement est si proche du bord de l’espace supraconducteur qu’il est donc impossible de prouver son existence. Mais grâce à votre ingénieuse méthode, vous avez finalement vérifié expérimentalement que cela était vrai.
