Les hétérostructures de van der Waals torsadées sont devenues un terrain de jeu pour créer des phases quantiques exotiques. Parmi elles, le cuprate torsadé BSCCO occupe une place particulière : la théorie prédit qu'à un angle de 45°, il devient un supraconducteur topologique doté de modes de bord chiraux. Or, jusqu'ici, ces modes n'avaient jamais pu être observés directement, et l'amplitude du gap topologique restait inconnue. Ce travail s'inscrit dans le courant des recherches sur la supraconductivité torsadée et la topologie dans les moirés, aux côtés des travaux sur le graphène torsadé et d'autres systèmes lamellaires, mais il applique pour la première fois le sondage quantique à des hétérostructures de cuprates.
Les auteurs ont fabriqué des dispositifs à partir de BSCCO torsadé par transfert cryogénique sans solvant. Pour observer les modes de bord, ils ont utilisé un centre NV unique implanté dans une structure de nanopilier en diamant. Le centre NV fonctionne comme un capteur quantique de champ magnétique : sa relaxation de spin s'accélère sous l'effet du bruit magnétique produit par les quasiparticules dans les canaux de bord. En balayant le centre NV au-dessus de l'échantillon à une distance d'environ 60 nm, ils ont mesuré la vitesse de relaxation Γ en fonction de la position et de la température. Pour étudier la topologie induite par le champ, ils ont employé la gradiométrie afin de reconstruire la densité de courant.
Dans le BSCCO torsadé à 45°, à 50 K, deux pics de la vitesse de relaxation Γ ont été détectés exactement sur les bords physiques du dispositif, ce qui constitue une preuve directe des modes de bord chiraux. La dépendance de Γ à la distance du bord est inversement proportionnelle au carré de la distance, en accord avec la théorie. À partir de la dépendance en température de Γ, le gap topologique a été estimé à Δ ≈ 4 meV à 0 K. La transition topologique se produit à une température T̃_c qui dépend de l'angle de torsion : pour 45°, elle coïncide avec T_c ≈ 86 K ; pour 43°, elle vaut 70 K ; pour 40°, 30 K ; et aux angles de 37° et 24°, les modes de bord sont absents. L'application d'un champ magnétique longitudinal de 20 Gs crée une image périodique de domaines alternés de chiralité opposée, ce qui indique la formation d'un réseau de vortex Josephson.
Ce travail démontre pour la première fois l'observation directe de modes de bord topologiques dans un cuprate torsadé, ce qui le distingue des études antérieures fondées sur des mesures de transport ou des modèles théoriques. La méthode de sondage quantique permet d'évaluer quantitativement le gap topologique et sa dépendance à l'angle de torsion, ouvrant la voie à une étude systématique de la topologie dans les supraconducteurs torsadés. C'est un pas important vers la réalisation d'une supraconductivité topologique à haute température pour l'informatique quantique.
Le sujet pourrait se développer vers une étude plus détaillée des modes de bord : leur structure spatiale, leur texture de spin et leur dynamique. On peut envisager d'étudier l'influence du désordre, de l'épaisseur des couches et d'autres angles de torsion. L'application du sondage quantique à d'autres systèmes torsadés, comme le graphène bicouche torsadé ou les dichalcogénures de métaux de transition, est prometteuse.
Les résultats auront un impact sur la physique de la matière condensée, les technologies quantiques et la science des matériaux. La méthode de magnétométrie quantique à balayage trouvera des applications dans l'étude d'une large classe de matériaux moirés.
Les prochaines étapes comprennent la mesure des courants de bord avec une résolution spatiale plus élevée, l'étude de l'influence du champ magnétique et de la température sur les domaines chiraux, ainsi que des tentatives de détection de modes de Majorana dans des systèmes similaires.
Ce travail est directement lié au problème de la supraconductivité topologique à haute température et à la recherche de fermions de Majorana pour l'informatique quantique tolérante aux fautes. Il éclaire aussi les mécanismes d'appariement dans les cuprates et le rôle de la symétrie du paramètre d'ordre.
Le centre NV dans le diamant est un défaut de la taille d'un atome, capable de percevoir le champ magnétique d'un seul spin électronique à une distance de plusieurs dizaines de nanomètres. Dans ce travail, il a joué le rôle d'une « oreille quantique » qui capte le bruit des quasiparticules filant le long du bord du supraconducteur.
L'idée d'états de bord protégés par la topologie fait écho au concept de « murs isolants » de la science-fiction, par exemple aux champs de protection du roman « La Cité des permutants » de Greg Egan, où l'information est stockée dans des défauts topologiques de l'espace-temps.