Des états cachés à la surface d'un supraconducteur d'uranium express
Un supraconducteur, c'est un peu comme une ville où le courant électrique circule sans feux rouges ni embouteillages. Mais le cristal UTe2 a une particularité : sa surface obéit à d'autres règles que son intérieur. Sur les atomes de tellure qui se trouvent en surface, les électrons ont trouvé une « porte de sortie » : des états d'énergie qui sont interdits à l'intérieur du cristal. Ces états remplissent presque entièrement la bande interdite, ce fossé qui reste vide dans un supraconducteur ordinaire.
Les physiciens ont utilisé un microscope à effet tunnel, un instrument qui sonde la surface avec une pointe et cartographie les états électroniques avec une résolution atomique. Il s'avère que sur les atomes de tellure, la densité d'états dans la bande interdite est élevée, tandis que sur les atomes d'uranium voisins, la bande reste intacte.
Lorsqu'on a appliqué un champ magnétique, la porte de sortie sur le tellure s'est refermée : les états dans la bande interdite ont disparu et la supraconductivité est devenue uniforme sur toute la surface. Des calculs théoriques prenant en compte l'interaction du spin de l'électron avec le champ magnétique ont reproduit exactement cette image. Cela signifie que les états observés ne sont pas une impureté accidentelle, mais bien un marqueur topologique prédit.
Désormais, UTe2 devient un terrain d'étude pour la supraconductivité topologique. De tels matériaux pourraient être utiles pour le calcul quantique : leurs états de surface se comportent comme des particules qui se souviennent de leur historique d'échanges.
Le microscope à effet tunnel « voit » les atomes individuels en mesurant le courant qui circule entre une pointe très fine et la surface, à une distance de moins d'un nanomètre.
Les supraconducteurs topologiques, avec leurs états de surface protégés, évoquent l'« adamantium » de l'univers Marvel : un matériau dont les propriétés sont déterminées par sa structure même, et non par sa composition.