Une recherche révèle qu’un métal rare pourrait offrir un interrupteur révolutionnaire pour les futurs appareils quantiques

Les scientifiques quantiques ont découvert un phénomène rare qui pourrait être la clé de la création d’un « interrupteur parfait » dans les dispositifs quantiques, passant du statut d’isolant à celui de supraconducteur.

La recherche, dirigée par l’Université de Bristol et publiée dans Scienceont découvert que ces deux états électroniques opposés existent dans le bronze violet, un métal unidimensionnel unique composé de chaînes d’atomes conductrices individuelles.

De minuscules changements dans le matériau, par exemple, provoqués par un petit stimulus comme la chaleur ou la lumière, peuvent déclencher une transition instantanée d’un état isolant à conductivité nulle à un état supraconducteur à conductivité illimitée, et vice versa. Cette polyvalence polarisée, connue sous le nom de « symétrie émergente », a le potentiel d’offrir un interrupteur marche/arrêt idéal dans les futurs développements de la technologie quantique.

L’auteur principal Nigel Hussey, professeur de physique à l’Université de Bristol, a déclaré : « C’est une découverte vraiment passionnante qui pourrait constituer une transition parfaite pour les dispositifs quantiques de demain.

“Ce voyage remarquable a commencé il y a 13 ans dans mon laboratoire lorsque deux doctorants, Xiaofeng Xu et Nick Wakeham, ont mesuré la magnétorésistance (le changement de résistance provoqué par un champ magnétique) du bronze violet.”

En l’absence de champ magnétique, la résistance du bronze violet dépendait fortement de la direction dans laquelle le courant électrique était introduit. Sa dépendance à la température était également assez compliquée. Aux alentours de la température ambiante, la résistance est métallique, mais à mesure que la température baisse, elle s’inverse et le matériau semble se transformer en isolant. Puis, aux températures les plus basses, la résistance chute à nouveau lorsqu’elle se transforme en supraconducteur.

Malgré cette complexité, de manière surprenante, la magnétorésistance s’est révélée extrêmement simple. C’était essentiellement le même quelle que soit la direction dans laquelle le courant ou le champ était aligné et suivait une dépendance linéaire parfaite de la température depuis la température ambiante jusqu’à la température de transition supraconductrice.

“Ne trouvant aucune explication cohérente à ce comportement déroutant, les données sont restées inactives et publiées sans publication pendant les sept années suivantes. Une interruption comme celle-ci est inhabituelle dans la recherche quantique, même si la raison n’en est pas un manque de statistiques”, a expliqué le professeur Hussey.

“Une telle simplicité dans la réponse magnétique dément invariablement une origine complexe et il s’avère que sa résolution possible ne se produirait que par une rencontre fortuite.”

En 2017, le professeur Hussey travaillait à l’université de Radboud et a vu un séminaire du physicien Dr Piotr Chudzinski sur le thème du bronze violet. À l’époque, peu de chercheurs consacraient un séminaire entier à ce matériau peu connu, ce qui a éveillé son intérêt.

Le professeur Hussey a déclaré : « Lors du séminaire, Chudzinski a proposé que l’augmentation de la résistance puisse être provoquée par une interférence entre les électrons de conduction et des particules composites insaisissables connues sous le nom d’excitons sombres. Nous avons discuté après le séminaire et avons proposé ensemble une expérience pour tester sa théorie. les mesures l’ont essentiellement confirmé.

Fort de ce succès, le professeur Hussey a ressuscité les données de magnétorésistance de Xu et Wakeham et les a montrées au Dr Chudzinski. Les deux caractéristiques centrales des données – la linéarité avec la température et l’indépendance de l’orientation du courant et du champ – ont intrigué Chudzinski, tout comme le fait que le matériau lui-même pouvait présenter un comportement à la fois isolant et supraconducteur en fonction de la manière dont le matériau était cultivé.

Le Dr Chudzinski se demandait si, plutôt que de se transformer complètement en isolant, l’interaction entre les porteurs de charge et les excitons qu’il avait introduits plus tôt pourrait amener les premiers à graviter vers la frontière entre les états isolant et supraconducteur à mesure que la température baisse. À la frontière elle-même, la probabilité que le système soit un isolant ou un supraconducteur est essentiellement la même.

Le professeur Hussey a déclaré : « Une telle symétrie physique est un état de choses inhabituel et développer une telle symétrie dans un métal lorsque la température diminue, d’où le terme « symétrie émergente », constituerait une première mondiale.

Les physiciens connaissent bien le phénomène de rupture de symétrie : l’abaissement de la symétrie d’un système électronique lors du refroidissement. L’arrangement complexe des molécules d’eau dans un cristal de glace est un exemple d’une telle symétrie brisée. Mais l’inverse est un phénomène extrêmement rare, pour ne pas dire unique. Pour en revenir à l’analogie eau/glace, c’est comme si en refroidissant davantage la glace, la complexité des cristaux de glace « fondait » à nouveau en quelque chose d’aussi symétrique et lisse qu’une gouttelette d’eau.

Le Dr Chudzinski, aujourd’hui chercheur à l’Université Queen’s de Belfast, a déclaré : « Imaginez un tour de magie dans lequel une figure terne et déformée se transforme en une belle sphère parfaitement symétrique. C’est, en un mot, l’essence de la symétrie émergente. en question est notre matériau, le bronze violet, tandis que notre magicien est la nature elle-même.

Pour tester davantage si la théorie tenait la route, 100 cristaux individuels supplémentaires, certains isolants et d’autres supraconducteurs, ont été étudiés par un autre doctorant. étudiant, Maarten Berben, travaillant à l’Université Radboud.

Le professeur Hussey a ajouté : « Après l’effort herculéen de Maarten, l’histoire était terminée et la raison pour laquelle différents cristaux présentaient des états fondamentaux si différents est devenue évidente. À l’avenir, il pourrait être possible d’exploiter cette « nervosité » pour créer des commutateurs dans des circuits quantiques dans lesquels de minuscules les stimuli induisent de profonds changements de plusieurs ordres de grandeur dans la résistance du commutateur.