Étude comparée de supraconducteurs pouvant manifester des propriétés topologiques

1. Résumé du projet

Prédire sur ordinateur les propriétés des matériaux est un rêve qui devient de plus en plus réalisable. Cependant, il y a des circonstances où cela représente un défi particulièrement grand. Par exemple, lorsqu’un matériau est un supraconducteur topologique. Un supraconducteur est un matériau qui se comporte à l’échelle macroscopique comme s’il était un objet quantique. Ainsi, un supraconducteur peut, par exemple, transporter l’électricité sans résistance. Il y a plusieurs types de supraconducteurs qui se comportent chacun comme des objets quantiques différents. Dans ce projet de recherche en équipe, nous nous intéressons à des matériaux qui pourraient présenter une supraconductivité dite topologique.

La supraconductivité topologique est intéressante parce qu’il n’y a pas encore de matériau solide où elle a été observée et parce qu’elle pourrait s’avérer utile dans la construction de l’ordinateur quantique.

Dans ce projet de recherche, nous allons mener des études en parallèle sur deux matériaux voisins : le ruthénate de strontium et le composé analogue où le ruthénium est remplacé par le fer. Le premier matériau est étudié depuis longtemps et bien qu’on le suspecte d’être un supraconducteur topologique, les expériences visant à déterminer si c’est le cas donnent des résultats contradictoires. À l’aide des méthodes de calcul par ordinateur les plus modernes, nous avons trouvé que ce composé pourrait être un supraconducteur d’un nouveau type. Nous explorerons donc les conséquences de cette découverte pour faire des comparaisons avec les expériences existantes. Nous espérons que ceci permettra d’éclaircir ce mystère.

En parallèle, nous mènerons des études sur le composé contenant plutôt du fer. Nos calculs préliminaires suggèrent que, sous pression, ce composé devrait devenir très semblable au ruthénate de strontium. En plus des études théoriques, nous mènerons donc des études expérimentales sur ce composé, qui a été très peu étudié jusqu’ici. Il faudra d’abord le synthétiser. La comparaison des résultats du composé de fer sous pression avec le ruthénate de strontium permettra d’affiner nos outils théoriques. En effet, bien que chimiquement le fer et le ruthénium soient très semblables, il y a des différences. Les électrons du fer qui peuvent se déplacer interagissent plus fortement entre eux que ceux du ruthénium. Par contre, la quantité qui décrit les propriétés magnétiques des électrons du ruthénium qui peuvent se déplacer, le spin, est très couplé à la vitesse avec laquelle les électrons se déplacent, contrairement au cas du fer.

Ce projet de recherche formera des étudiantes et des étudiants qui peuvent étudier des problèmes difficiles, analyser des données et faire la synthèse des résultats. Ils apprendront aussi la collaboration entre expérimentateurs et théoriciens. Les méthodes qui seront développées pourront être utilisées pour bien d’autres matériaux. Si nous découvrons de la supraconductivité topologique, cela pourrait être utile pour les industries qui développent l’ordinateur quantique.