Institut des
NanoSciences de Paris
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Fermions de Majorana, supraconducteurs hybrides

L’équipe spectroscopie des nouveaux états quantiques a depuis quelques années une importante activité autour des quaiparticules de Majorana dans supraconducteurs topologiques. Les quasiparticules de Majorana ont des spins demi-entiers, cependant ils répondent à une tout autre statistique quantique que celle des fermions, ils se comportent comme des anyons non abéliens. Cette propriété rend ces quasiparticules très intéressantes pour la réalisation de nouveaux dispositifs quantiques de type qubits qui, d’après la théorie, sont censés être beaucoup moins sensibles à la décohérence du fait qu’une protection topologique est à l’œuvre.

De multiples travaux théoriques ont prédit l’existence de phases supraconductrices topologiques qui auraient la propriété d’avoir des états de bords de Majorana. Par exemple en une dimension les états de bord d’un fil supraconducteur topologiques sont constitués d’une paire d’états liés de Majorana localisés aux extrémités du fil situés au niveau de Fermi. A deux dimensions, on attend non plus des états liés mais des états de bord dispersifs à l’intérieur du gap supraconducteur. De plus en 2D et 3D, des états liés de Majorana sont attendus au cœur des vortex ou d’autres défauts topologiques tels que des skyrmions.

Ces dernières années de nombreux travaux ont été réalisés sur les fils supraconducteurs topologiques, la première approche est celle de Microsoft Research, consiste à couper des nanofils semiconducteurs à des supraconducteurs et à appliquer un champ magnétique pour engendrer une supraconductivité topologique. L’autre approche consiste à coupler des supraconducteurs à des îlots magnétiques. Ainsi l’équipe de Princeton a pu mettre en évidence des états de bord à zéro énergie dans des chaines de Fe déposées sur du Pb. Nous avons suivi une méthode pour fabriquer des systèmes 2D constitués d’un plan atomique de Pb supraconducteur couplé à des nano-aimants de PbSi. Ce système nous a permis de mettre en évidence pour la première fois l’existence d’un supraconducteur topologique en imageant ses états de bords dispersifs [1]. Nous avons aussi montré que ce système Pb/Co-Si/Si(111) présentait parfois des défauts topologiques qui se manifestent par l’apparition d’une paire d’états de Majorana à zéro énergie, un des états étant localisé au centre d’un domaine de Co-Si et l’autre tout autour [2]. Nous explorons maintenant d’autres systèmes à base de molécules magnétiques déposées sur des supraconducteurs qui présentent le même type de propriétés.

Personnel permanent impliqué : Tristan Cren, Christophe Brun, François Debontridder, Marie Hervé

Mots celfs : supraconducteurs topologiques, fermions de Majoran, défauts topologiques, systèmes hybrides supra-ferro

Financements : ANR superstripes, un postdoc théorique financé par le Dim NanoK

Collaborations : Equipe de Pascal Simon Université Paris Saclay, collaboration avec Nadine Witkowski de l’INSP sur les Phtalocyanines de Mn

1. Two-dimensional topological superconductivity in Pb/Co/Si (111), Gerbold C. Ménard, Sébastien Guissart, Christophe Brun, Raphaël T. Leriche, Mircea Trif, François Debontridder, Dominique Demaille, Dimitri Roditchev, Pascal Simon, Tristan Cren*, Nature communications 8, 2040 (2017) 2. Isolated pairs of Majorana zero modes in a disordered superconducting lead monolayer, G Ménard, A Mesaros, C Brun, F Debontridder, D Roditchev, P Simon, T. Cren, arXiv:1810.09541, Nature Communications (2019).

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Image : Etats de Majorana mesurés par sepctroscopie tunnel à balayage dans un îlot de Pb/Co-Si/Si(111).