Nouveaux horizons dans la supraconduction

5 novembre 2018, 15:20
Nouveaux horizons dans la supraconduction
Nouveaux horizons dans la supraconduction

Les propriétés spécifiques des « matières topologiques » se manifestent en général à leur surface. Elles ont suscité des attentes considérables, notamment les isolants qui conduisent aussi en surface, contre toute attente. Les chercheurs de l'université de Twente et de l’université d'Amsterdam viennent de démontrer une nouvelle caractéristique : le bismuth, réputé non supraconducteur, peut pourtant conduire le courant sans perte. De plus, cette supraconductivité se manifeste non seulement en surface, mais également à l'intérieur de la matière topologique, donc sous une forme à la fois plus robuste et moins sensible. Ces recherches ont été publiées sur le site de la revue Nature Materials.

« Topotronique » et spintronique

L'intérêt pour les matières topologiques s'est accru de manière considérable depuis un certain nombre d'années. Elles ont même donné lieu à l'introduction de nouveaux termes comme la spintronique et la topotronique (néologisme calqué sur le terme anglais topotronics). En effet, ces matières bénéficient de propriétés particulières en jouant avec l'ordre des niveaux d'énergie : la topologie. En agissant ainsi, une matière qui, en principe, ne conduit pas l'électricité peut devenir conductrice en surface. Cette transformation influe non seulement sur le mouvement des électrons, mais aussi sur leur « spin », c'est-à-dire la direction de leur rotation sur leur trajectoire.

Les travaux de recherche montrent une relation évidente entre la direction du mouvement et le spin. Du fait de cette propriété, une matière non supraconductrice peut malgré tout conduire un courant grâce au rôle important que jouent les quasi-particules de Majorana. Et ce n'est pas tout. Le phénomène ne se produit pas qu'en surface puisque cette propriété topologique a été également démontrée au cœur de la matière concernée. L'effet est donc plus robuste et moins sensible au bruit ou à la pollution, par exemple.

Semimétal

La matière utilisée pour ces recherches, le bismuth, additionné d’antimoine en petite quantité, a déjà démontré des caractéristiques surprenantes et est devenu une sorte de référence pour ses propriétés électroniques. Le bismuth possédant peu d’électrons disponibles pour la conduction, il est difficile de le considérer comme un métal ; d’où son classement, parfois, dans les « semimétaux ». Pour autant, les électrons se comportent vraiment comme des particules en déplacement à la vitesse de la lumière.

Au-delà du 2D

Pour les nouveaux types de milieux électroniques, notamment ceux utilisant le graphène, les démarches initiales s'appuient souvent sur des matières en 2D. Les propriétés qui viennent d'être découvertes indiquent que cette limitation n'est plus indépassable : un ordinateur quantique topologique pourrait également fonctionner en 3D.

Ces recherches ont été menées par l'équipe Quantum Transport in Matter, qui intervient au sein de l'institut de nanotechnologie MESA+ de l'université de Twente, en collaboration avec des chercheurs de l’institut Van der Waals – Zeeman de l’université d’Amsterdam. Ces travaux s'inscrivent dans le thème de recherche de l’université de Twente : Shaping our world with smart materials (Façonner notre monde avec des matériaux intelligents).

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