Preuves d'une supraconductivité de parité impaire soutenue par l'antiferromagnétisme dans le métal à fermions lourds YbRh2Si2

Un métal étrange qui devient un supraconducteur particulier

La plupart des supraconducteurs semblent déjà exotiques : ils conduisent l'électricité sans résistance lorsqu'on les refroidit à des températures très basses. Mais une famille encore plus rare, appelée supraconducteurs topologiques, pourrait un jour fournir des briques de base pour des technologies quantiques robustes. Dans cette étude, les chercheurs explorent un composé métallique inhabituel, YbRh2Si2, refroidi à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, et trouvent des preuves qu'il héberge un type rare de supraconductivité étroitement lié à son magnétisme interne.

Pourquoi ce matériau est inhabituel

YbRh2Si2 appartient à une classe de matériaux connus sous le nom de métaux à fermions lourds, où les électrons se comportent comme s'ils étaient des centaines de fois plus lourds que d'habitude en raison d'interactions fortes. À très basse température, ce composé développe une forme délicate d'antiferromagnétisme, dans laquelle les moments atomiques voisins s'alignent en directions opposées. Des mesures antérieures laissaient entrevoir l'apparition d'une supraconductivité dans cet environnement étrange, mais la nature de l'appariement permettant le flux sans résistance restait incertaine, et les signaux supraconducteurs étaient faibles et dépendants de l'échantillon.

Écouter les courants électriques à des températures ultra-basses

Pour découvrir ce qui se passe, l'équipe a développé une méthode ultra-sensible pour mesurer la réponse électrique de minuscules monocristaux à des températures inférieures à 10 millikelvins. Ils ont utilisé un dispositif d'interférence quantique supraconducteur, ou SQUID, pour sonder l'impédance électrique complexe, qui rend compte à la fois de la résistance et des effets inductifs lorsque la température et le champ magnétique varient. Ces mesures ont révélé des frontières nettes où des régions à l'intérieur de chaque échantillon basculent entre comportement normal et supraconducteur, permettant aux chercheurs de cartographier plusieurs états supraconducteurs en fonction du champ magnétique appliqué soit dans les plans du cristal, soit le long de l'axe cristallin.

Le magnétisme à la fois aide et verrouille

Les diagrammes de phase résultants montrent que la supraconductivité dans YbRh2Si2 n'est stable que lorsque le matériau est magnétisé de manière ordonnée. Lorsque l'état antiferromagnétique principal, appelé AFM1, est détruit par l'application d'un champ magnétique, la supraconductivité disparaît également de façon abrupte. À des températures encore plus basses, un deuxième motif magnétique apparaît, impliquant à la fois les spins électroniques et nucléaires arrangés en une structure ondulatoire. Fait remarquable, l'apparition de cette onde de densité de spin électro-nucléaire provoque un renforcement soudain de la réponse supraconductrice, observé comme une chute de l'inductance cinétique des électrons et une augmentation de l'échelle de champ à laquelle la supraconductivité est détruite.

Indices sur le type de paires supraconductrices

En suivant comment la température critique dépend du champ magnétique, les chercheurs ont pu déterminer quand la supraconductivité est limitée par l'alignement magnétique des spins électroniques, une restriction connue sous le nom de limite de Pauli. Certaines régions supraconductrices des échantillons suivent cette limite pour des champs appliqués dans le plan du cristal, tandis que d'autres survivent bien au-delà. Ce comportement sélectif suggère fortement que les paires de Cooper sont dans un état spin-triplet, où les spins s'alignent plutôt que de s'opposer. Le motif de dépendance au champ pointe en particulier vers un état dit hélicoïdal, une sorte de phase supraconductrice topologique insensible aux champs le long de l'axe cristallin mais sensible aux champs dans le plan.

Comment une onde magnétique renforce les paires

Pour expliquer le renforcement soudain de la supraconductivité lorsque l'ordre magnétique électro-nucléaire apparaît, les auteurs proposent que l'état supraconducteur hélicoïdal s'accouple à un motif compagnon appelé onde de densité de paires. Dans ce tableau, l'onde magnétique diffracte les paires d'électrons, créant un état compagnon spatialement modulé qui abaisse l'énergie du système et approfondit effectivement la gap supraconductrice. Les régions du cristal qui hébergent déjà l'état hélicoïdal le voient renforcé, tandis que d'autres régions basculent en supraconductivité exactement à la température où l'ordre électro-nucléaire s'établit.

Ce que cela signifie pour les matériaux quantiques futurs

Pris ensemble, les expériences fournissent de fortes preuves que YbRh2Si2 héberge une supraconductivité de parité impaire, spin-triplet, dont l'existence et l'intensité sont contrôlées par deux types d'ordre antiferromagnétique imbriqués. L'une des phases supraconductrices correspond au profil d'un état hélicoïdal topologique, un proche parent des phases étudiées de longue date dans l'hélium-3 superfluide. Bien que la supraconductivité soit actuellement fragile et spatialement non uniforme, le matériau offre une plateforme rare et modulable où le magnétisme et l'appariement topologique peuvent être étudiés côte à côte, avec la perspective qu'un meilleur contrôle des échantillons pourrait un jour en faire un hôte pratique pour des états quantiques exotiques.

Citation: Levitin, L.V., Knapp, J., Knappová, P. et al. Evidence for odd-parity superconductivity underpinned by antiferromagnetism in heavy-fermion metal YbRh₂Si₂. Nat. Phys. 22, 713–719 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03247-x

Mots-clés: supraconductivité topologique, appariement spin-triplet, métal à fermions lourds, antiferromagnétisme, onde de densité de paires