Cartographie des états électroniques dans un supraconducteur exotique – Technoguide

Les scientifiques ont caractérisé comment les états électroniques d’un composé contenant du fer, du tellure et du sélénium dépendent des concentrations chimiques locales. Ils ont découvert que la supraconductivité (conduisant l’électricité sans résistance), avec des corrélations magnétiques distinctes, apparaît lorsque la concentration locale de fer est suffisamment faible; un état électronique coexistant existant uniquement en surface (état de surface topologique) se produit lorsque la concentration en tellure est suffisamment élevée. Rapportés dans Nature Materials, leurs résultats indiquent la gamme de composition nécessaire à la supraconductivité topologique. La supraconductivité topologique pourrait permettre un calcul quantique plus robuste, qui promet de fournir des augmentations exponentielles de la puissance de traitement.

“L’informatique quantique en est encore à ses balbutiements et l’un des principaux défis est de réduire le taux d’erreur des calculs”, a déclaré le premier auteur Yangmu Li, post-doctorant au sein du Neutron Scattering Group de la Division de la physique de la matière condensée et de la science des matériaux (CMPMS). au Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE). «Les erreurs surviennent lorsque les qubits, ou bits d’information quantique, interagissent avec leur environnement. Cependant, contrairement aux ions piégés ou aux qubits à l’état solide tels que les défauts ponctuels dans le diamant, les qubits supraconducteurs topologiques sont intrinsèquement protégés d’une partie du bruit. Par conséquent, ils pourraient prendre en charge calcul moins sujet aux erreurs.La question est, où peut-on trouver la supraconductivité topologique?

Dans cette étude, les scientifiques ont restreint la recherche à un composé connu pour héberger des états de surface topologiques et faisant partie de la famille des supraconducteurs à base de fer. Dans ce composé, les états topologiques et supraconducteurs ne sont pas répartis uniformément sur la surface. Comprendre ce qui se cache derrière ces variations dans les états électroniques et comment les contrôler est essentiel pour permettre des applications pratiques telles que l’informatique quantique topologiquement protégée.

D’après des recherches antérieures, l’équipe savait que la modification de la quantité de fer pouvait faire passer le matériau d’un état supraconducteur à un état non supraconducteur. Pour cette étude, le physicien Gendu Gu de la division CMPMS a cultivé deux types de grands monocristaux, l’un contenant un peu plus de fer par rapport à l’autre. L’échantillon avec la teneur en fer la plus élevée n’est pas supraconducteur; l’autre échantillon est supraconducteur.

Pour comprendre si la disposition des électrons dans la majeure partie du matériau variait entre les échantillons supraconducteurs et non supraconducteurs, l’équipe s’est tournée vers la diffusion neutronique polarisée en spin. La source de neutrons de spallation (SNS), située au laboratoire national d’Oak Ridge du DOE, abrite un instrument unique en son genre pour exécuter cette technique.

«La diffusion de neutrons peut nous dire les moments magnétiques, ou spins, des électrons et la structure atomique d’un matériau», a expliqué l’auteur correspondant, Igor Zaliznyak, physicien de la division CMPMS Neutron Scattering Group qui a dirigé l’équipe de Brookhaven qui a aidé à la conception et à l’installation. l’instrument avec des collaborateurs à Oak Ridge. “Afin d’isoler les propriétés magnétiques des électrons, nous polarisons les neutrons à l’aide d’un miroir qui ne reflète qu’une seule direction de spin spécifique.”

À leur grande surprise, les scientifiques ont observé des modèles radicalement différents de moments magnétiques électroniques dans les deux échantillons. Par conséquent, la légère modification de la quantité de fer a provoqué un changement d’état électronique.

“Après avoir vu ce changement dramatique, nous avons pensé que nous devrions examiner la distribution des états électroniques en fonction de la composition chimique locale”, a déclaré Zaliznyak.

Au Centre pour les nanomatériaux fonctionnels (CFN) de Brookhaven, Li, avec le soutien des membres du personnel du CFN Fernando Camino et Gwen Wright, a déterminé la composition chimique de plus petits morceaux représentatifs des deux types d’échantillons par spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie. Dans cette technique, un échantillon est bombardé d’électrons et les rayons X émis caractéristiques des différents éléments sont détectés. Ils ont également mesuré la résistance électrique locale – qui indique avec quelle cohérence les électrons peuvent transporter la charge – avec des sondes électriques à échelle micrométrique. Pour chaque cristal, Li a défini une petite grille carrée (100 par 100 microns). Au total, l’équipe a cartographié la composition locale et la résistance dans plus de 2 000 endroits différents.

“Grâce aux expériences au CFN, nous avons caractérisé la chimie et les propriétés globales de conduction des électrons”, a déclaré Zaliznyak. “Mais nous devons aussi caractériser les propriétés électroniques microscopiques, ou comment les électrons se propagent dans le matériau, que ce soit dans le volume ou en surface. La supraconductivité induite dans les électrons se propageant en surface peut héberger des objets topologiques appelés modes Majorana, qui sont en théorie un des meilleurs moyens d’effectuer des calculs quantiques. Des informations sur les propriétés électroniques de masse et de surface peuvent être obtenues par spectroscopie de photoémission. “

Pour les expériences de spectroscopie de photoémission, Zaliznyak et Li ont contacté Peter Johnson, chef du CMPMS Division Electron Spectroscopy Group, et Nader Zaki, un associé scientifique du groupe Johnson. En mesurant l’énergie et la quantité d’électrons éjectés des échantillons (en utilisant la même grille spatiale) en réponse à la lumière, ils ont quantifié les forces des états électroniques se propageant à la surface, dans la masse, et formant l’état supraconducteur. Ils adaptent quantitativement les spectres de photoémission à un modèle qui caractérise les forces de ces états.

Ensuite, l’équipe a cartographié les forces de l’état électronique en fonction de la composition locale, en construisant essentiellement un diagramme de phase.

«Ce diagramme de phase comprend les transitions de phase supraconductrice et topologique et indique où nous pourrions trouver une composition chimique utile pour les matériaux de calcul quantique», a déclaré Li. «Pour certaines compositions, il n’existe pas d’états électroniques cohérents pour développer la supraconductivité topologique. Dans les études précédentes, les gens pensaient qu’une défaillance de l’instrument ou une erreur de mesure était la raison pour laquelle ils ne voyaient pas les caractéristiques de la supraconductivité topologique. Ici nous montrons que c’est dû aux états électroniques eux-mêmes. “

“Lorsque le matériau est proche de la transition entre l’état topologique et non topologique, vous pouvez vous attendre à des fluctuations”, a ajouté Zaliznyak. “Pour que la topologie apparaisse, les états électroniques doivent être bien développés et cohérents. Donc, d’un point de vue technologique, nous devons synthétiser les matériaux loin de la ligne de transition.”

Ensuite, les scientifiques élargiront le diagramme de phase pour explorer la gamme de composition dans le sens topologique, en se concentrant sur des échantillons contenant moins de sélénium et plus de tellure. Ils envisagent également d’appliquer la diffusion des neutrons pour comprendre un écart d’énergie inattendu (une gamme d’énergie où aucun électrons n’est autorisé) s’ouvrant dans l’état de surface topologique du même composé. Le groupe de Johnson a récemment découvert cet écart et a émis l’hypothèse qu’il était causé par le magnétisme de surface.

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