Field-controlled breaking and restoration of parity-time symmetry in Josephson interference

La symétrie est la grammaire cachée du monde physique, un ensemble de règles qui dicte la manière dont la matière se comporte et dont l'énergie se déplace. Dans le domaine de la physique quantique, où les particules agissent davantage comme des ondes que comme des objets solides, ces règles sont particulièrement strictes. Les scientifiques cherchent souvent des moyens de briser ces symétries pour créer de nouveaux états de la matière ou pour construire des dispositifs qui se comportent de manière inhabituelle. L'un des domaines d'étude les plus fascinants concerne les supraconducteurs, des matériaux qui conduisent l'électricité avec une résistance nulle. Lorsque deux supraconducteurs sont séparés par une fine barrière, ils peuvent néanmoins « communiquer » entre eux, permettant à un courant de circuler à travers l'écart sans batterie. Ce flux, appelé supercourant, est incroyablement sensible aux champs magnétiques. En appliquant un champ magnétique, les chercheurs peuvent faire en sorte que ce courant interfère avec lui-même, créant un motif de pics et de vallées similaire aux ondulations formées lorsque deux pierres sont jetées dans un étang. Comprendre comment contrôler ces motifs permet aux scientifiques de concevoir des dispositibles quantiques dotés de propriétés spécifiques et utiles.

Une équipe de chercheurs a maintenant démontré un moyen d'allumer et d'éteindre ces motifs d'interférence, et de changer leur forme, simplement en faisant pivoter un champ magnétique. En travaillant avec un dispositif composé d'une fine lamelle d'un matériau appelé tellurure de platine, prise en sandwich entre deux électrodes supraconductrices, ils ont découvert que la direction du champ magnétique par rapport au courant électrique agit comme un interrupteur principal. Lorsque le champ magnétique est appliqué dans une direction spécifique, le motif d'interférence devient asymétrique, avec un côté du motif d'ondulation beaucoup plus grand que l'autre. Cependant, s'ils font pivoter le champ de quatre-vingt-dix degrés, le motif retrouve instantanément une forme parfaitement symétrique, même si le champ magnétique est toujours fort. Cette capacité de basculer entre une symétrie brisée et une symétrie restaurée offre un nouveau moyen de contrôler le transport quantique, transformant la géométrie du champ magnétique en un outil pour reconfigurer le comportement du dispositif.

L'expérience s'est déroulée dans un laboratoire refroidi à une température juste au-dessus du zéro absolu, environ 50 millikelvins, pour s'assurer que les effets quantiques délicats restent visibles. Les chercheurs ont construit leur dispositif en utilisant une lamelle de tellurure de platine d'une épaisseur comprise entre 20 et 40 nanomètres. Ils ont fixé des électrodes supraconductrices faites de niobium-titane de chaque côté de la lamelle, créant une jonction où le supercourant pouvait circuler. Pour sonder le système, ils ont appliqué un champ magnétique qui possédait deux composantes : l'une pointant verticalement à travers le dispositif et une autre s'étendant horizontalement dans le plan du matériau. En changeant l'angle de ce champ horizontal, situé dans le plan, par rapport à la direction du courant, ils ont pu observer comment le motif d'interférence évoluait.

Lorsqu'il n'y avait pas de champ magnétique horizontal, le dispositif se comportait comme prévu, produisant un motif classique et symétrique appelé motif de Fraunhofer. Ce motif présente un pic central important avec des pics plus petits et espacés uniformément de chaque côté, indiquant que le supercourant circulait de manière uniforme à travers la jonction. Mais dès qu'ils ont introduit un champ magnétique horizontal parallèle au courant, la symétrie a disparu. Le motif est devenu fortement déformé, les pics d'un côté du maximum central rétrécissant tandis que les pics de l'autre côté grandissaient. Cette asymétrie était si prononcée qu'elle ressemblait à l'image miroir d'elle-même qui aurait été inversée. Les chercheurs ont constaté que cet effet n'était pas aléatoire ; il dépendait entièrement de l'angle entre le courant et le champ magnétique. Lorsque le champ était parallèle au courant, la distorsion était à son paroxysme. Lorsqu'ils faisaient pivoter le champ pour qu'il soit perpendiculaire au courant, le motif retrouvait instantanément son état symétrique d'origine.

Pour comprendre ce qui se passait, l'équipe a développé un modèle microscopique de ce qui se déroulait à l'intérieur du dispositif. Ils ont réalisé que les électrodes supraconductrices n'étaient pas seulement des parois passives ; elles remodelaient activement les lignes de champ magnétique passant à travers elles. En raison d'une propriété appelée effet Meissner, qui fait qu'un supraconducteur expulse les champs magnétiques, les lignes de champ magnétique horizontales étaient contraintes de se courber à mesure qu'elles approchaient des bords des électrodes. Cette courbure créait de petites régions localisées où le champ magnétique pointait vers le haut en un endroit et vers le bas en un autre, formant ainsi un dipôle magnétique directement à l'interface entre le supraconducteur et le matériau normal.

Ces minuscules dipôles magnétiques agissaient comme des mains invisibles, poussant et tirant sur les trajectoires empruntées par les électrons circulant à travers la jonction. Dans un matériau parfait et sans défaut, ces poussées s'annuleraient. Cependant, les matériaux réels contiennent toujours du désordre — de minuscules imperfections dans la structure atomique qui diffusent les électrons. À cause de ce désordre, les électrons empruntaient des chemins différents et sinueux à travers la jonction. Certains chemins échantillonnaient la partie « haute » du dipôle magnétique, tandis que d'autres échantillonnaient la partie « basse ». Lorsque les chercheurs inversaient la direction du champ magnétique principal, les électrons sur ces différents chemins expérimentaient une poussée nette différente, provoquant un décalage du motif d'interférence et le rendant asymétrique. La force de cet effet dépendait de l'orientation du champ magnétique horizontal. Lorsque le champ était parallèle au courant, la courbure des lignes de champ était maximisée, créant des dipôles puissants qui brouillaient le motif d'interférence. Lorsqu'il était perpendiculaire, la courbure était minimisée, les dipôles disparaissaient et la symétrie était restaurée.

Les chercheurs ont pris soin d'écarter d'autres explications possibles. Ils ont examiné si le matériau lui-même possédait une propriété intrinsèque favorisant une direction plutôt qu'une autre, mais leurs expériences ont montré que l'effet tournait avec le dispositif, et non avec la structure cristalline du matériau. Ils ont également testé le dispositif avec différentes longueurs et orientations, et le comportement est resté constant, confirmant que le phénomène était piloté par la géométrie du champ et du courant, et non par un défaut spécifique de l'échantillon. De plus, ils ont utilisé des simulations informatiques pour modéliser le système, en intégrant les effets du désordre et de la focalisation du champ magnétique. Ces simulations ont reproduit parfaitement les résultats expérimentaux, montrant que l'interaction entre les lignes de champ magnétique courbées et les chemins désordonnés des électrons était bien la cause du phénomène.

Cette découverte établit un nouveau type de dispositif quantique contrôlable. En faisant simplement pivoter un champ magnétique, les scientifiques peuvent désormais basculer une jonction supraconductrice entre un état où la symétrie est brisée et un état où elle est restaurée. Il ne s'agit pas seulement d'une curiosité théorique ; cela offre une méthode pratique pour l'ingénierie de la symétrie du transport quantique. La capacité de sélectionner l'opération de symétrie qui est sondée en changeant la géométrie du champ et du courant ouvre la voie à de nouveaux types de capteurs et d'interrupteurs. Par exemple, le dispositif pourrait être utilisé pour détecter l'orientation d'un champ magnétique avec une grande précision ou pour imager les chemins empruntés par les supercourants à travers un matériau. Ce travail souligne comment le désordre, souvent perçu comme une nuisance dans les systèmes quantiques, peut être exploité comme un atout lorsqu'il est combiné avec le bon environnement magnétique.

Les résultats suggèrent que le comportement de ces dispositifs est régi par un équilibre délicat entre la capacité du champ magnétique à focaliser le flux et la nature aléatoire de la structure interne du matériau. Les chercheurs ont noté que cet effet persiste jusqu'à des intensités de champ magnétique d'environ 70 millitesla, une plage substantielle pour des phénomènes quantiques aussi délicats. La restauration de la symétrie à l'angle perpendiculaire est particulièrement robuste, restant vraie même lorsque l'intensité du champ augmente. Cela suggère que le mécanisme est stable et fiable, ce qui en fait un candidat prometteur pour de futures applications en technologie quantique.

Dans le contexte plus large de la physique, ce travail contribue à la compréhension croissante de la manipulation des états quantiques à l'aide de champs externes. Il démontre que la symétrie n'est pas seulement une propriété fixe d'un matériau, mais un degré de liberté dynamique qui peut être ajusté en temps réel. Les chercheurs ont montré qu'en contrôlant l'orientation relative du courant et du champ magnétique, on peut effectivement écrire et effacer les règles d'interférence pour les électrons supraconducteurs. Ce niveau de contrôle est une étape importante vers la création de circuits quantiques plus sophistiqués, où la capacité de reconfigurer le comportement d'un dispositif à la volée est essentielle. L'étude fournit une voie claire, expérimentalement vérifiée, pour parvenir à cela, ancrée dans la physique fondamentale de l'interaction entre les champs magnétiques, les supraconducteurs et les matériaux désordonnés.