« Purple Bronze Discovery » révèle la « clé parfaite » de la technologie future

Les scientifiques quantiques ont découvert un phénomène dans le bronze violet qui pourrait être essentiel au développement du « commutateur parfait » dans les dispositifs quantiques qui basculent entre le rôle d’isolant et celui de supraconducteur.

Recherche menée par l’Université de Bristol et publiée dans les sciencesCes deux états électroniques opposés se trouvent dans le bronze violet, un métal unidimensionnel unique composé de chaînes d’atomes conducteurs individuels.

Par exemple, de petits changements dans un matériau, déclenchés par un petit stimulus tel que 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 diversité de polarisation, connue sous le nom de « symétrie émergente », a le potentiel de fournir un parfait interrupteur marche/arrêt dans les futurs développements de la technologie quantique.

L’image montre une représentation de symétrie émergente, montrant une goutte d’eau parfaitement symétrique émergeant d’une couche de glace. En revanche, les cristaux de glace dans la neige ont une forme complexe et sont donc moins symétriques qu’une goutte d’eau. La couleur violette indique le matériau violet-bronze dans lequel ce phénomène a été découvert. Crédit : Université de Bristol

Un voyage de 13 ans

Auteur principal Nigel Hussey, professeur de physique à l’Université de Université de Bristol« C’est une découverte vraiment passionnante qui pourrait fournir une clé parfaite pour les futurs dispositifs quantiques », a-t-il déclaré.

« Ce voyage fascinant a commencé il y a 13 ans dans mon laboratoire lorsque deux doctorants, Xiaofeng Xu et Nick Wickham, 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 entrait. Sa dépendance à la température était également complexe. À température ambiante, la résistivité est métallique, mais à mesure que la température diminue, elle s’inverse et le matériau semble se transformer en isolant. Puis, aux températures les plus basses, la résistance diminue à nouveau à mesure qu’elle se transforme en supraconducteur. Malgré cette complexité, la magnétorésistance est étonnamment 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.

« Aucune explication cohérente n’a pu être trouvée à ce comportement déroutant, et les données sont restées dormantes et non publiées pendant les sept années suivantes. Un écart comme celui-ci est inhabituel dans la recherche quantique, même si la raison n’en est pas un manque de statistiques », a déclaré le professeur Hussey. expliqué.

« Une telle simplicité dans la réponse magnétique dissimule toujours une origine complexe, et il s’avère que sa solution potentielle ne surviendra que par une rencontre fortuite. »

Une rencontre fortuite mène à une percée

En 2017, le professeur Hussey travaillait à l’université de Radboud et a vu une annonce pour un séminaire du physicien Dr Piotr Chudzinski sur le thème du bronze violet. À l’époque, peu de chercheurs consacreraient un colloque entier à cette substance inconnue, ce qui a piqué son intérêt.

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

Grâce à ce succès, le professeur Hussey a relancé les données de magnétorésistance de Shaw et Wakeham et les a présentées au Dr Chudzinski. Deux caractéristiques clés des données – la linéarité avec la température et l’indépendance par rapport à la direction et au champ du courant – ont intrigué Chudzinski, tout comme le fait que le même matériau peut présenter un comportement isolant et supraconducteur en fonction de sa croissance.

Le Dr Chudzinski s’est demandé si l’interaction entre les porteurs de charge et les excitons qu’il a présentée plus tôt, plutôt que de se convertir entièrement en isolants, pourrait amener les premiers à graviter vers la frontière entre les états isolant et supraconducteur à mesure que la température diminue. Aux mêmes limites, la probabilité qu’un système soit isolant ou supraconducteur est essentiellement la même.

Le professeur Hussey a déclaré : « Une telle symétrie physique est un cas inhabituel, et développer une telle symétrie dans un métal à mesure que la température diminue, d’où le terme « symétrie émergente », serait 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 de cette symétrie brisée. Mais le contraire est un phénomène extrêmement rare, pour ne pas dire unique. Pour en revenir à l’analogie eau/glace, c’est comme si, une fois la glace refroidie davantage, la complexité des cristaux de glace « fondait » à nouveau en quelque chose de cohérent et lisse comme une goutte d’eau.

La symétrie émergente : un phénomène rare

Le Dr Chudzinski, aujourd’hui chercheur à l’Université Queen’s de Belfast, a déclaré : « Imaginez un tour de magie où une forme terne et déformée se transforme en une belle sphère parfaitement symétrique. En bref, c’est l’essence de la symétrie émergente. La question est notre matière, le bronze violet, tandis que notre magicien est la nature elle-même. » .

Pour tester davantage si la théorie contient de l’eau, 100 cristaux individuels supplémentaires, certains isolants et d’autres supraconducteurs, ont été examinés par un autre doctorant, Martin Berbin, qui travaille à l’Université Radboud.

Le professeur Hussey a ajouté : « Après les efforts titanesques de Martin, l’histoire est terminée et la raison pour laquelle différents cristaux semblent avoir des états fondamentaux si complètement différents devient claire. En regardant vers l’avenir, il sera peut-être possible d’exploiter cette « nouveauté » pour créer des commutateurs dans circuits quantiques où de petits stimuli déclenchent des changements profonds et de grande ampleur dans la résistance de commutation.

Référence : « Symétrie émergente dans un supraconducteur de faible dimension sur le bord de Mottness » par P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Weidman, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, NE Hussey, 16 novembre 2023, les sciences.
est ce que je: 10.1126/science.abp8948