Une jonction supraconductrice réalisée à partir d’un seul matériau 2D promet d’exploiter une nouvelle physique étrange

Les physiciens du RIKEN ont développé un dispositif électronique qui héberge des états inhabituels de la matière, qui pourrait un jour être utile pour le calcul quantique.

Lorsqu’un matériau existe sous la forme d’une couche ultrafine – d’une épaisseur de seulement un ou quelques atomes – il a des propriétés totalement différentes de celles d’échantillons plus épais du même matériau. En effet, confiner les électrons dans un plan 2D donne naissance à des états exotiques. En raison de leurs dimensions plates et de leur large compatibilité avec les technologies de semi-conducteurs existantes, ces matériaux 2D sont prometteurs pour exploiter de nouveaux phénomènes dans les appareils électroniques.

Ces états incluent des isolateurs Hall à spin quantique, qui conduisent l’électricité le long de leurs bords mais sont électriquement isolants à l’intérieur. De tels systèmes, lorsqu'ils sont couplés à la supraconductivité, ont été proposés comme une voie vers l'ingénierie d'états supraconducteurs topologiques qui pourraient avoir une application dans les futurs ordinateurs quantiques topologiques.

Aujourd'hui, Michael Randle du RIKEN Advanced Device Laboratory, ainsi que des collègues de RIKEN et Fujitsu, ont créé une jonction Josephson 2D avec des composants actifs entièrement à partir d'un matériau connu pour être un isolant Hall à spin quantique. L'ouvrage est publié dans la revue Matériaux avancés.

Une jonction Josephson est généralement réalisée en prenant en sandwich un matériau entre deux supraconducteurs élémentaires. En revanche, Randle et son équipe ont fabriqué leur dispositif à partir d’un monocristal de tellurure de tungstène 2D monocouche, dont il avait déjà été démontré qu’il présentait à la fois un état supraconducteur et un état isolant Hall à spin quantique.

“Nous avons fabriqué la jonction entièrement à partir de tellurure de tungstène monocouche”, explique Randle. “Nous l'avons fait en exploitant sa capacité à entrer et sortir de l'état supraconducteur à l'aide d'un déclenchement électrostatique.”

L’équipe a utilisé de fines couches de palladium pour se connecter aux côtés d’une couche de tellurure de tungstène entourée et protégée par du nitrure de bore. Ils ont pu observer un motif d'interférence lorsqu'ils ont mesuré la réponse magnétique de l'échantillon, caractéristique d'une jonction Josephson avec des conducteurs supraconducteurs 2D.

Bien que cette étude fournisse un cadre pour comprendre la supraconductivité complexe dans les systèmes 2D, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour identifier clairement la physique plus exotique que promettent les systèmes. Le défi est que le tellurure de tungstène est difficile à transformer en dispositifs en raison de l’oxydation rapide de sa surface en quelques minutes dans des conditions ambiantes, ce qui nécessite que toute la fabrication soit effectuée dans un environnement inerte.

“La prochaine étape implique la mise en œuvre de structures de grille ultraplates à motifs pré-structurés en utilisant, par exemple, un polissage chimico-mécanique”, explique Randle. “Si cela est réalisé, nous espérons former des jonctions Josephson avec des géométries précisément adaptées et utiliser nos techniques d'expérimentation de pointe sur les résonateurs micro-ondes pour observer et étudier la nature topologique passionnante des dispositifs.”