L'aiguille d'une boussole tremble lorsqu'un courant invisible passe à proximité. Des physiciens ont fabriqué une minuscule boussole à partir d'un seul défaut dans un diamant et l'ont approchée du bord d'un supraconducteur pour entendre comment y circulent les courants électriques. Ces courants ne ressemblent pas aux courants ordinaires : ils ne coulent que le long de la frontière, comme l'eau le long d'une berge, et ne se dispersent pas sur les obstacles. Jusqu'à présent, leur existence dans le supraconducteur cuprate torsadé BSCCO n'était prédite que théoriquement, mais personne ne les avait vus directement.
L'expérience ressemble à l'écoute de pas dans la pièce voisine. Le défaut dans le diamant, appelé centre NV, perçoit le champ magnétique comme une aiguille de boussole. Lorsque des courants filent le long du bord du supraconducteur, ils créent un bruit magnétique qui fait perdre plus vite son orientation au spin du centre NV. En mesurant cette vitesse, les physiciens ont vu deux pics marqués exactement sur les bords du dispositif à une température de 50 K. C'est la preuve directe que les courants de bord existent.
La dépendance du signal à la distance au bord s'est révélée inversement proportionnelle au carré de la distance, ce qui correspond à la prédiction théorique. À partir des mesures en température, on a extrait la valeur du gap topologique, la bande d'énergie interdite qui protège les courants de bord. À température nulle, il vaut environ 4 meV, ce qui correspond à une température d'environ 50 K. Cela signifie que la protection topologique ne fonctionne qu'à des températures suffisamment basses.
L'angle de torsion s'est avéré un paramètre critique. À 45°, la transition topologique se produit à la même température que la transition ordinaire vers l'état supraconducteur, soit environ 86 K. À 43°, cette température tombe à 70 K, à 40° à 30 K, et à 37° et 24°, les modes de bord disparaissent complètement. Cela rappelle l'accord d'un instrument de musique : le moindre pivotement des couches change toute la mélodie des courants de bord.
Le champ magnétique ajoute une nouvelle note. L'application d'un champ de 20 Gs crée une image périodique de domaines alternés de chiralité opposée, c'est-à-dire que les courants dans des régions voisines circulent en sens inverse. Cela indique la formation d'un réseau de vortex josephsoniens, des vortex quantiques de flux magnétique piégés entre les couches. Ce motif ressemble à un échiquier où les cases noires et blanches correspondent à des courants circulant en sens opposés.
Ainsi, un défaut unique dans un diamant est devenu une boussole qui non seulement a indiqué la direction, mais a aussi perçu la structure fine des courants de bord. Auparavant, on jugeait de la topologie des supraconducteurs torsadés à partir de mesures de transport indirectes ou de modèles théoriques. Désormais, une méthode directe existe, applicable à d'autres matériaux torsadés, par exemple au graphène bicouche ou aux dichalcogénures de métaux de transition. C'est un pas vers la création de supraconducteurs topologiques à haute température, qui pourraient devenir la base d'ordinateurs quantiques résistants aux erreurs.
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.