Les supraconducteurs (matériaux qui conduisent l’électricité sans résistance) fascinent les physiciens depuis plus d’un siècle. Bien que les supraconducteurs conventionnels soient bien compris, une nouvelle classe de matériaux appelés supraconducteurs topologiques a suscité un vif intérêt ces dernières années.
Ces supraconducteurs seraient capables d’héberger des quasiparticules de Majorana, des états exotiques qui pourraient changer le domaine de l’informatique quantique tolérante aux pannes. Pourtant, bon nombre des propriétés fondamentales de ces nouveaux supraconducteurs topologiques massifs restent relativement inconnues, laissant des questions ouvertes sur la manière dont leurs états électroniques inhabituels interagissent avec le réseau cristallin sous-jacent.
Dans une nouvelle étude menée par le professeur Guo-qing Zheng, avec Kazuaki Matano, S. Takayanagi, K. Ito de l'Université d'Okayama et le professeur H. Nakao de l'Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (KEK), publiée dans Lettres d'examen physique le 22 août 2025, les chercheurs rapportent que l'isolant topologique dopé CuxBi2Se3 subit des distorsions minuscules mais spontanées dans son réseau cristallin lorsqu’il entre dans l’état supraconducteur.
Il s'agit de la première preuve claire d'un supraconducteur topologique capable de se coupler au réseau cristallin et de le déformer lors de la transition supraconductrice, un phénomène inconnu des physiciens jusqu'à présent.
La supraconductivité est généralement associée à un appariement électronique qui laisse le réseau hôte intact. Mais en CuxBi2Se3un supraconducteur topologique rare à triplet de spin, le professeur Zheng et ses collègues ont observé des distorsions d'environ 100 parties par million lorsque le paramètre d'ordre supraconducteur, connu sous le nom de vecteur d, s'éloignait des axes de symétrie élevée du cristal. Aucune distorsion de ce type n'a été trouvée dans des états plus symétriques ou dans des cristaux hautement dopés où domine un état supraconducteur chiral.
« Nos travaux démontrent que la distorsion du réseau n'est pas seulement un sous-produit mais un diagnostic clé pour identifier les phases supraconductrices non conventionnelles », a ajouté le professeur Zheng. L'étude s'appuie sur des expériences antérieures de résonance magnétique nucléaire qui ont montré une symétrie de rotation de spin brisée dans CuxBi2Se3une signature de l'appariement spin-triplet. Les chercheurs ont établi un lien direct entre la symétrie supraconductrice et la réponse structurelle du matériau en combinant la diffraction des rayons X synchrotron avec des mesures de susceptibilité résolues en angle.
Au-delà de sa signification fondamentale, la découverte a des implications pratiques. « Un supraconducteur topologique peut être appliqué à l'informatique quantique tolérante aux pannes. Il est important de connaître les propriétés de base du matériau lors de la fabrication de bits quantiques à partir de tels supraconducteurs », a déclaré le professeur Zheng.
Les supraconducteurs topologiques massifs restent rares et leurs propriétés sont mal comprises. Cela a limité leur utilisation en dehors du laboratoire. Les chercheurs pensent que les nouveaux résultats pourraient contribuer à changer cela : « Les supraconducteurs topologiques en masse n'ont pas été utilisés dans l'industrie simplement parce que les matériaux sont rares et leurs propriétés sont mal connues. Nos travaux feront progresser les applications industrielles dans la fabrication d'ordinateurs quantiques de nouvelle génération. »
Les résultats résonnent également avec des études plus larges sur les supraconducteurs à plusieurs composants, notamment les matériaux à base de fer, les réseaux de Kagome et le graphène bicouche torsadé. Tous ces systèmes peuvent héberger des états exotiques dans lesquels le paramètre d’ordre supraconducteur se couple aux degrés de liberté du réseau.
Néanmoins, les chercheurs préviennent que des questions restent ouvertes. La force du couplage semble sensible aux défauts introduits lors de la croissance cristalline, ce qui suggère que la préparation et la pureté des échantillons joueront un rôle central dans les expériences futures et les applications potentielles.
Cette recherche offre aux physiciens de la matière condensée une nouvelle perspective pour sonder les états quantiques topologiques en découvrant comment la supraconductivité peut déformer un réseau, rapprochant ainsi le domaine de l'exploitation de ces propriétés exotiques pour les technologies quantiques.
