Topological superconductors and Majorana fermions based on $X$-wave magnets with $X=p,d,f,g,i$

Dans le monde silencieux des matériaux solides, les électrons se comportent généralement comme une foule chaotique, se cognant les uns aux autres et se dispersant dans toutes les directions. Mais sous les bonnes conditions, ils peuvent se synchroniser en un état fluide unique appelé supraconducteur, où l'électricité circule sans aucune résistance. Pendant des décennies, les scientifiques ont su que cet état est fragile ; il s'effondre généralement dès qu'un champ magnétique est introduit, lequel a tendance à perturber l'appariement délicat des électrons. Cependant, une nouvelle classe de matériaux magnétiques a émergé, défiant cette attente. Ces matériaux, appelés altermagnets et aimants à parité impaire, possèdent une structure interne unique où les forces magnétiques s'annulent globalement pour atteindre zéro, tout en divisant les niveaux d'énergie des électrons selon leur spin. Cela crée un ordre caché qui ne détruit pas la supraconductivité mais la façonne à nouveau, ouvrant potentiellement une nouvelle frontière de la physique où l'électricité pourrait transporter l'information de manières immunisées contre le bruit et les erreurs qui affligent la technologie actuelle.

Un chercheur de l'Université de Tokyo a maintenant cartographié précisément comment ces aimants exotiques interagissent avec les supraconducteurs, révélant un paysage de possibilités qui dépend entièrement de la forme spécifique de l'ordre magnétique. En construisant des modèles informatiques détaillés de ces matériaux sur des réseaux carrés et triangulaires, le chercheur a exploré ce qui se passe lorsque différents types d'aimants sont appariés avec des électrons supraconducteurs. Il s'est concentré sur une famille d'aimants étiquetés par les lettres p, d, f, g et i, qui décrivent les motifs géométriques complexes de leurs champs magnétiques internes. L'étude a révélé que ces aimants ne se comportent pas tous de la même manière ; au lieu de cela, ils se divisent en deux camps distincts avec des règles fondamentalement différentes. Un groupe, les altermagnets, qui comprend les types d, g et i, brise une symétrie fondamentale du temps, tandis que l'autre groupe, les aimants à parité impaire, qui comprend les types p et f, la préserve. Cette seule différence dicte si le supraconducteur résultant abritera un type de particule exotique ou un autre.

Lorsque le chercheur a couplé le supraconducteur avec les altermagnets, il a découvert que l'ordre magnétique stabilisait activement un état supraconducteur chiral tourbillonnant. Dans cet état, les électrons s'apparient de manière à créer un gap d'énergie complet, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'électrons libres pour se disperser et causer de la résistance. Plus important encore, cet état est topologique, un terme qui décrit une propriété du matériau qui est robuste face aux petits changements, semblable à un nœud que l'on ne peut défaire sans couper la corde. Dans ces systèmes, les bords du matériau deviennent des autoroutes pour des particules spéciales appelées fermions de Majorana. Ces particules sont leurs propres antiparticules et peuvent voyager le long du bord sans se disperser. Le chercheur a découvert que pour les altermagnets de type d et g, cet état de bord est caractérisé par un canal unique de flux, mais pour l'altermagnet de type i, la situation est encore plus remarquable. Dans le cas de l'onde i, deux canaux distincts de ces états de bord émergent simultanément, une caractéristique qui pourrait être cruciale pour la construction de dispositifs quantiques plus complexes.

En revanche, lorsque le supraconducteur était couplé aux aimants à parité impaire, le résultat était différent. Parce que ces aimants préservent la symétrie de renversement du temps, ils ne forcent pas le supraconducteur dans un état chiral tourbillonnant. Au lieu de cela, ils stabilisent un autre type d'ordre topologique où les particules de Majorana ne circulent pas seulement le long du bord en une seule ligne, mais forment des bandes plates d'états d'énergie nulle. Ces bandes plates sont essentiellement une plateforme large et stable de ces particules exotiques qui existe entre les gaps dans le spectre d'énergie du matériau. Le chercheur a noté que même si l'ordre magnétique dans ces systèmes provoque inévitablement un léger mélange entre les états supraconducteurs, les bandes plates restent remarquablement robustes. Cette résilience suggère que ces états pourraient être créés et maintenus de manière fiable, même dans des conditions réelles imparfaites.

L'étude a également clarifié pourquoi certains états supraconducteurs disparaissent en présence d'un ordre magnétique fort alors que d'autres prospèrent. Pour les altermagnets, la supraconductivité s-onde traditionnelle, qui est la forme la plus commune et isotrope, est rapidement détruite à mesure que la force magnétique augmente. Cela se produit car la division magnétique force les électrons ayant le même spin à occuper les mêmes états de quantité de mouvement, ce qui contredit l'exigence pour que les paires d'électrons standards aient des spins opposés. Cependant, l'état p-onde chiral, qui apparie des électrons ayant le même spin, est non seulement compatible avec cet environnement magnétique, mais il est en fait stabilisé par celui-ci. Le chercheur a observé qu'à mesure que la force magnétique croissait, le matériau passerait d'un supraconducteur standard à cet état chiral exotique, un changement clairement visible dans leurs diagrammes de phase.

En faisant varier systématiquement le potentiel chimique, qui contrôle le nombre d'électrons dans le système, et la force des interactions entre eux, le chercheur a construit une carte complète de ces phases. Il a découvert que la structure cristalline spécifique du matériau, qu'il s'agisse d'un réseau carré ou d'un réseau triangulaire, jouait un rôle décisif dans l'émergence de l'état supraconducteur. Par exemple, la supraconductivité f-onde, qui implique un motif géométrique plus complexe, s'est avérée stable uniquement sur le réseau triangulaire. Les résultats confirment que l'interaction entre ces nouveaux ordres magnétiques et la supraconductivité n'est pas une simple question de destruction mutuelle, mais plutôt un dialogue riche capable de produire des états de la matière entièrement nouveaux. Ce travail fournit un schéma théorique pour identifier quels matériaux pourraient abriter ces particules de Majorana insaisissables, guidant les expériences futures vers les combinaisons spécifiques d'ordre magnétique et de géométrie de réseau les plus susceptibles de réussir.