L'effet prédit ressemble à l'effet Hall quantique entier mais il est basé sur un mécanisme physique complètement différent.
Une jonction Josephson classique est composée de deux couches supraconductrices séparées par une barrière tunnel. L'effet Josephson se manifeste par un courant alternatif qui oscille à une fréquence proportionnelle à la tension de polarisation de la jonction.
Ce phénomène se produit également dans une jonction entre deux supraconducteurs séparés par une région semi-conductrice qui peut être nettement plus grande qu'une barrière tunnel. Il est alors envisageable de connecter plusieurs supraconducteurs à cette région et de former des jonctions Josephson à plusieurs terminaux.
Une jonction Josephson à quatre terminaux a un comportement beaucoup plus riche que celles à deux ou trois terminaux. Si on applique des tensions différentes à deux des quatre terminaux, on observe une combinaison de l'effet Josephson alternatif habituel et d'un phénomène totalement inédit. Au courant alternatif attendu s'ajoute un courant continu, relié à la tension appliquée à l'autre terminal ! Les théoriciens précisent que cette conductance « croisée » ne peut prendre que des valeurs égales à des multiples de 4e²/h (où e est la charge électrique et h la constante de Planck). Ces valeurs peuvent être contrôlées en appliquant un champ magnétique de faible intensité à travers une boucle supraconductrice reliant les deux autres terminaux de la jonction.
Une telle propriété est dite topologique car elle ne dépend pas des détails microscopiques de la jonction, tels que le désordre ou la qualité des interfaces. Elle trouve son origine dans une singularité des niveaux d'énergie des états quantiques, appelés états d'Andreev, qui apparaissent dans la jonction. Ce sont ces états qui portent le courant Josephson qui s'écoule à travers la jonction.
Le résultat prédit permet d'établir une analogie entre la structure des états d'Andreev d'une jonction Josephson à plusieurs terminaux et la structure des bandes d'énergie d'un matériau. De nombreuses phases topologiques ont été récemment découvertes dans plusieurs familles de matériaux. Si ce résultat est vérifié expérimentalement, on pourrait alors étudier une physique similaire dans une simple jonction.
Ce travail a été réalisé en collaboration avec le Kavli Institute of Nanoscience (TU Delft, Pays-Bas) et dans le cadre d'une Chaire d'excellence (Grenoble).