Une nouvelle stratégie pour fabriquer et manipuler des supraconducteurs à plus haute température

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 si basses – quelques degrés au-dessus du zéro absolu – qu’elles les rendent 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 matériaux auparavant inaccessibles. .

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.

“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 degrés Fahrenheit). Cependant, manipuler ces matériaux sans détruire leurs phases supraconductrices est très 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 au 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, surnommée BSCCO (« bisco »).

Le BSCCO est considéré comme un supraconducteur « à haute température » car il commence à devenir supraconducteur à environ -288 Fahrenheit (-177 C) – très froid selon les normes pratiques mais étonnamment élevé parmi les supraconducteurs, qui doivent généralement être refroidis à environ -400 Fahrenheit (-240 C). ).

Zhao a d’abord divisé le BSCCO en deux couches, chacune faisant un millième de la largeur d’un cheveu humain. Puis, à -130 F (- 90 C), il a empilé les deux couches selon une torsion de 45 degrés, comme un sandwich à la crème glacée avec des plaquettes 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 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.

Note de correction (12/182023) : des degrés Celsius ont été ajoutés à l'article pour compléter les mesures Fahrenheit associées.