Des chercheurs de Harvard, dirigés par Philip Kim, ont fait progresser la technologie des supraconducteurs en créant une diode supraconductrice à haute température à l’aide de cuprates. Ce développement est crucial pour l’informatique quantique et représente une étape importante dans la manipulation et la compréhension des matériaux exotiques et des états quantiques. Crédit : Issues.fr.com
La méthode de fabrication pourrait faciliter la découverte de matériaux.
- L’équipe de Harvard dirigée par Philip Kim innove dans les supraconducteurs à haute température utilisant des cuprates.
- Développement de la première diode supraconductrice au monde, l’informatique quantique.
- Supercourant directionnel démontré et contrôle des états quantiques dans BSCCO.
Les supraconducteurs intriguent les physiciens depuis des décennies. Mais ces matériaux, qui permettent un flux d’électrons parfait et sans perte, ne présentent généralement cette particularité de la mécanique quantique qu’à des températures aussi basses – quelques degrés au-dessus. zéro absolu – au point de les rendre impraticables.
Une équipe de recherche dirigée par Philip Kim, professeur de physique et de physique appliquée à Harvard, a démontré une nouvelle stratégie pour fabriquer et manipuler une classe largement étudiée de supraconducteurs à haute température, appelés cuprates, ouvrant ainsi la voie à l’ingénierie de nouvelles formes inhabituelles de supraconductivité dans des domaines auparavant inaccessibles. matériaux.
En utilisant une méthode unique de fabrication d’appareils à basse température, Kim et son équipe rapportent dans le journal Science un candidat prometteur pour la première diode supraconductrice à haute température au monde – essentiellement un interrupteur qui fait circuler le courant dans une direction – fabriquée à partir de minces cristaux de cuprate. Un tel dispositif pourrait théoriquement alimenter des industries naissantes comme l’informatique quantique, qui s’appuient sur des phénomènes mécaniques éphémères et difficiles à maintenir.
Représentation graphique du supraconducteur cuprate empilé et torsadé, avec les données qui l’accompagnent en arrière-plan. Crédits : Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Zhao
« Les diodes supraconductrices à haute température sont, en fait, possibles sans application de champs magnétiques, et ouvrent de nouvelles portes à l’étude des matériaux exotiques », a déclaré Kim.
Les cuprates sont des oxydes de cuivre qui, il y a des décennies, ont bouleversé le monde de la physique en montrant qu’ils deviennent supraconducteurs à des températures beaucoup plus élevées que ce que les théoriciens pensaient possible, « supérieure » étant un terme relatif (le record actuel pour un supraconducteur cuprate est de -225). Fahrenheit). Mais manipuler ces matériaux sans détruire leurs phases supraconductrices est extrêmement complexe en raison de leurs caractéristiques électroniques et structurelles complexes.
Les expériences de l’équipe ont été dirigées par SY Frank Zhao, ancien étudiant de la Griffin Graduate School of Arts and Sciences et maintenant chercheur postdoctoral à MIT. En utilisant une méthode de manipulation de cristaux cryogéniques sans air dans de l’argon ultrapur, Zhao a conçu une interface propre entre deux couches extrêmement fines d’oxyde de cuivre, cuprate, bismuth, strontium, calcium, surnommé BSCCO («bisco»). Le BSCCO est considéré comme un supraconducteur « à haute température » car il commence à devenir supraconducteur à environ -288 degrés Fahrenheit – très froid selon les normes pratiques, mais étonnamment élevé parmi les supraconducteurs, qui doivent généralement être refroidis à environ -400 degrés.
Zhao a d’abord divisé le BSCCO en deux couches, chacune faisant un millième de la largeur d’un cheveu humain. Puis, à -130°, il a empilé les deux couches selon une torsion de 45 degrés, comme un sandwich à la crème glacée avec des tranches de travers, conservant la supraconductivité au niveau de l’interface fragile.
L’équipe a découvert que le supercourant maximal pouvant traverser l’interface sans résistance est différent selon la direction du courant. Surtout, l’équipe a également démontré le contrôle électronique de l’état quantique interfacial en inversant cette polarité. Ce contrôle leur a effectivement permis de fabriquer une diode supraconductrice commutable à haute température – une démonstration de la physique fondamentale qui pourrait un jour être incorporée dans une technologie informatique, telle qu’un bit quantique.
« C’est un point de départ pour étudier les phases topologiques, mettant en vedette des états quantiques protégés des imperfections », a déclaré Zhao.
L’équipe de Harvard a travaillé avec ses collègues Marcel Franz de l’Université de la Colombie-Britannique et Jed Pixley de l’Université Rutgers, dont les équipes ont déjà effectué des calculs théoriques prédisant avec précision le comportement du supraconducteur cuprate dans une large gamme d’angles de torsion. La réconciliation des observations expérimentales a également nécessité de nouveaux développements théoriques, réalisés par Pavel A. Volkov de l’Université du Connecticut.
La recherche a été financée en partie par la National Science Foundation, le ministère de la Défense et le ministère de l’Énergie.
