L’Université Harvard dévoile une approche innovante des supraconducteurs à haute température

La méthode de fabrication peut faciliter la détection des matériaux.

• L’équipe de Harvard dirigée par Philip Kim crée des supraconducteurs à haute température à l’aide de cuivre.
• Développement de la première diode supraconductrice avancée au monde Statistiques quantitatives.
• Démontrer le supercourant directionnel et le contrôle des états quantiques au BSCCO.

Les supraconducteurs intriguent les physiciens depuis des décennies. Mais ces matériaux, qui permettent au flux d’électrons de s’écouler parfaitement et sans perte, ne présentent généralement cette particularité de la mécanique quantique qu’à des températures très basses – quelques degrés au-dessus. Zéro absolu – Pour que cela ne soit pas pratique.

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 la voie à l’ingénierie de nouvelles formes inhabituelles de supraconductivité dans des endroits jamais atteints. auparavant, il n’était pas possible d’y parvenir. Matiéres.

En utilisant une méthode unique pour fabriquer des appareils à basse température, Kim et son équipe ont rédigé leur rapport dans le journal les sciences Un candidat prometteur pour la première diode supraconductrice à haute température au monde – essentiellement un interrupteur qui fait circuler le courant dans une direction – est constitué de minces cristaux de cuivre. En théorie, un tel dispositif pourrait alimenter des industries émergentes telles que l’informatique quantique, qui repose sur des phénomènes mécaniques transitoires difficiles à maintenir.

Représentation graphique d’un supraconducteur en cuivre torsadé et empilé, accompagnée de données de base. Photographie : Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Chow

« Les diodes supraconductrices à haute température sont réellement possibles, sans application de champs magnétiques, et ouvrent de nouvelles portes à la recherche dans l’étude des matériaux exotiques », a déclaré Kim.

Les cuprates sont des oxydes de cuivre qui ont bouleversé le monde de la physique il y a plusieurs décennies en montrant qu’ils deviennent supraconducteurs à des températures beaucoup plus élevées que ce que les théoriciens pensaient, et « supérieure » ​​est un terme relatif (le record actuel pour un supraconducteur en cuivre est de -225). . F). Mais manipuler ces matériaux sans détruire leurs phases supraconductrices est très complexe en raison de leurs propriétés électroniques et structurelles complexes.

Les expériences de l’équipe SY ont été dirigées par Frank Zhao, ancien étudiant de la Griffin Graduate School of Arts and Sciences et maintenant chercheur postdoctoral à Griffin. Massachusetts Institute of Technology. En utilisant une méthode de traitement cryogénique des cristaux sans air dans de l’argon de haute pureté, Zhao a conçu une interface propre entre deux couches extrêmement fines d’oxyde de cuivre, de calcium, de bismuth et de strontium, surnommée BSCCO (« bisco »). Le BSCCO est considéré comme un supraconducteur « à haute température » car il commence à devenir supraconducteur à environ 288 degrés Fahrenheit – très froid selon les normes pratiques, mais étonnamment élevé parmi les supraconducteurs, qui doivent généralement être refroidis à environ -400 degrés Fahrenheit.

Zhao a d’abord divisé le BSCCO en deux couches, chacune faisant un millième de la largeur d’un cheveu humain. Puis, à -130 degrés, il a empilé les deux couches à un angle de 45 degrés, comme un sandwich à la crème glacée avec les copeaux mal alignés, tout en conservant la supraconductivité au niveau de l’interface fragile.

L’équipe a découvert que le supercourant maximal pouvant passer sans résistance à travers l’interface varie en fonction de la direction du courant. Surtout, l’équipe a également démontré le contrôle électronique de l’état quantique interfacial en inversant cette polarité. C’est ce contrôle qui leur a 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, caractérisées par des états quantiques protégés des défauts », a déclaré Zhao.

Référence : « Time Reversal Symmetry Breaking Superconductivity Between Twisted Copper Superconductors » par SY Frank Zhao, Xiaomeng Cui, Pavel A. Volkov, Hyobin Yoo, Sangmin Lee, Jules A. Gardener, Austin J. Akey, Rebecca Engelke, Yuval Ronen, Ruidan Chung , Jinda Guo, Stefan Plug, Taron Tomorrow, Myung Kim, Marcel Franz, Jedediah H. Pixley, Nicola Buccia et Philip Kim, 7 décembre 2023, les sciences.
est ce que je: 10.1126/science.abl8371

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 l’équipe avait auparavant effectué des calculs théoriques rigoureux. Et il s’attendait Comportement du supraconducteur de cuivre dans A Large éventail Des angles de torsion. Concilier les observations expérimentales nécessite également de nouveaux développements théoriques, entrepris par Pavel A. Volkov de l’Université du Connecticut.

La recherche a été financée en partie par la National Science Foundation, le ministère de la Défense et le ministère de l’Énergie.