07 juin 2016
Effet Hall quantique dans un dispositif supraconducteur

Figure: A gauche: schéma d'une jonction Josephson entre plusieurs terminaux supraconducteurs (en bleu) reliés par une région normale (en vert). Un champ magnétique contrôle la différence de phase supraconductrice entre deux des terminaux, tandis que deux autres sont polarisés en tension. A droite: Quantification de la transconductance en fonction de la différence de phase supraconductrice.

Des chercheurs d'INAC/PHELIQS (CEA Grenoble) et du Kavli Institute of Nanoscience (TU Delft, Pays-Bas) ont prédit l'apparition de transitions topologiques dans des jonctions Josephson multi-terminales. La topologie se manifeste par une transconductance quantifiée en unités fondamentales de 4e2/h, où e est la charge électrique et h est la constante de Planck, lorsque deux des terminaux sont polarisés en tension.

Ce résultat ouvre une perspective complètement nouvelle pour la réalisation de phases topologiques de la matière quantique avec une dimension arbitraire, ce qui ne semblait pas réaliste à ce jour. En effet, la dimension est contrôlée par le nombre de terminaux supraconducteurs. Elle n’est donc pas limitée par le caractère tridimensionnel de l’espace réel. Une jonction Josephson avec n ≥ 4 terminaux permet de réaliser un matériau topologique à n - 1 ≥ 3 dimensions, avec les différences de phase supraconductrices qui jouent le rôle des quasi-impulsions de la structure des bandes. Une telle jonction peut admettre une fermeture topologiquement protégée de son spectre énergétique - une singularité de Weyl – en-dessous du gap supraconducteur des réservoirs. La présence de singularités de Weyl induit des transitions topologiques qui se manifestent expérimentalement par des changements quantifiés de la transconductance. Cet effet ressemble à l'effet Hall quantique entier, mais il est basé sur un mécanisme physique complètement différent. Une telle prédiction pourrait être facilement testée dans des jonctions hybrides formées avec des supraconducteurs conventionnels.

L’étude des transitions topologiques dans les systèmes quantiques est un domaine de recherche en plein essor, qui concerne aussi bien les semi-métaux de Dirac ou de Weyl, que les supraconducteurs non-conventionnels et les isolants topologiques. Du côté fondamental, l’existence de fermetures linéaires du spectre énergétique permet d’explorer la physique "relativiste" dans un régime de basses énergies. La prédiction de singularités de Weyl dans des nanostructures hybrides est également une étape importante dans un domaine de recherche à l'interface entre la supraconductivité mésoscopique et l’ingénierie quantique. De nouveaux concepts de dispositifs ont été proposés ces dernières années, tels que les nano-SQUIDs ultra-sensibles, les séparateurs de paires de Cooper envisagés comme sources d'électrons intriqués, les diodes hybrides comme sources de photons intriqués, les bits quantiques d’Andreev avec des temps de cohérence très longs, les modes de Majorana envisagés pour le calcul quantique topologiquement protégé... Le fonctionnement de tels dispositifs exige de bien comprendre les états localisés qui se forment dans ces jonctions, qui sont appelés états d’Andreev et qui n’ont été mis en évidence que très récemment. En révélant les propriétés topologiques du spectre Andreev dans les jonctions Josephson multi-terminales, le présent travail pourrait enrichir significativement les possibilités d’application de tels dispositifs dans un proche avenir.

Ce travail a été soutenu par l'ANR et réalisé dans le cadre du programme de Chaire d'excellence de la Fondation Nanosciences (Grenoble).

Référence: Multi-terminal Josephson junctions as topological matter, R.-P. Riwar, M. Houzet, J. S. Meyer, and Yu. V. Nazarov , Nature Commun. 7, 11167 (2016).

 

Maj : 07/06/2016 (1172)

 

Retour en haut