Circuits quantiques basés sur les nano-cristaux topologiques – CrysTop

À la recherche de nouveaux états et fonctionnalités quantiques, le nombre d’études théoriques et expérimentales d’hybrides supraconducteurs impliquant des isolants topologiques (TI) croît rapidement. Un espoir général est d'induire des corrélations supraconductrices d'un supraconducteur (S) dans le TI, tout en préservant les propriétés électroniques spécifiques de ces matériaux singuliers. L’intérêt pour les supraconducteurs topologiques est né en grande partie du souhait de combiner la symétrie électron-trou inhérente aux excitations d’un supraconducteur à la nature hélicoïdale des états électroniques des matériaux topologiques, de manière à former des états à énergie nulle de Majorana. Plusieurs travaux théoriques ont suggéré des géométries spécifiques pour les hybrides S / TI dans lesquels une telle supraconductivité topologique pourrait apparaître. La manipulation et le tressage (braiding) cohérents de tels états pourraient présenter un intérêt pour l'informatique quantique, en tirant parti de leur statistique non-abélienne.

Malheureusement, contrairement aux théories, une induction bien contrôlée de la supraconductivité topologique dans les TI reste difficile, limitant l'exploration et les applications ultérieures du phénomène. À notre avis, le succès est difficilement possible sans résoudre deux problèmes essentiels: (i) le contrôle des interfaces S / TI et (ii) la gestion d’un régime balistique dans les dispositifs S / TI. C’est la raison pour laquelle l’aspect technologique du présent projet est de relever ces deux défis dans le cadre du consortium franco-russe combinant tout le savoir-faire technologique nécessaire. De plus, profitant de cette expertise, nous prévoyons de développer des moyens de croissance TI compatibles UHV - une étape technologique importante pour la création d’interfaces S / TI propres. Dans le cadre du projet, une telle installation sera créée pour la première fois en France; plus tard, il sera dupliqué et installé en Russie.

Scientifiquement, le projet se concentrera sur des dispositifs S / TI balistiques élaborés au sein du consortium et combinant des propriétés supraconductrices et topologiques afin d’étudier la supraconductivité non-conventionnelle, en mettant l'accent sur les propriétés non locales. Les trois principaux aspects qui font la différence par rapport à l’état de l’art sont: (i) Les dispositifs seront basés sur des nano-cristaux d’isolants topologiques 3D de haute qualité fabriqués par la consortium, dont la taille, la pureté et les paramètres géométriques donneront l’accès au régime balistique et à la contribution importante des canaux topologiques dans la réponse globale. (ii) Les mesures de transport DC et RF à très basse température jusqu’à 25 mK seront combinées avec les mesures spectroscopiques locales en STM / STS+AFM pour sonder les états de Andreev topologiques, densité de superfluide, relation courant-phase, excitations élémentaires, en relation avec la structure de bande, grâce à la complémentarité des équipes russes (fabrication, caractérisation, modélisation) et françaises (transport DC / RF, spectroscopie STM / STS+AFM ). (iii) Ce projet expérimental sera théoriquement dirigé par un leader international dans le domaine.