Un «matériau miracle» quantique pourrait soutenir la commutation magnétique, une équipe de chercheurs de l'Université de Regensburg et de l'Université du Michigan a montré.
L'étude « Contrôle des corrélations Coulomb et de la structure fine des excitons quasi-dimensionnels par ordre magnétique » a été publié dans Nature.
Cette capacité récemment découverte pourrait aider à permettre des applications dans l'informatique quantique, la détection et plus encore. Alors que des études antérieures ont identifié que les entités quantiques appelées excitons sont parfois liées efficacement à une seule ligne dans le bromure de sulfure de chrome matérial, la nouvelle recherche fournit une démonstration théorique et expérimentale approfondie expliquant comment cela est lié à l'ordre magnétique dans le matériau.
Le bromure de sulfure de chrome est passionnant pour les chercheurs quantiques car il peut prendre en charge presque toutes les informations qui sont physiquement codées: en charge électrique, les photons (lumière), le magnétisme (spins d'électrons) et les phonons (vibrations, telles que le son).
« La vision à long terme est que vous pouvez potentiellement construire des machines ou des dispositifs quantiques qui utilisent ces trois, voire les quatre, les photons pour transférer des informations, les électrons pour traiter les informations via leurs interactions, le magnétisme pour stocker des informations et les phonons pour moduler et transduire des informations à de nouvelles fréquences « , a déclaré Mackillo Kira, professeur UM en génie électrique et informatique.
L'une des façons dont le bromure de sulfure de chrome pourrait coder les informations quantum est dans les excitons. Un exciton se forme lorsqu'un électron est déplacé de son état d'énergie « terre » dans le semi-conducteur dans un état d'énergie plus élevé, laissant derrière lui un « trou ». L'électron et le trou sont associés et cet état collectif est un exciton.
Les excitons sont piégés dans des couches uniques par les propriétés magnétiques inhabituelles du bromure de sulfure de chrome. Le matériau est composé de couches seulement quelques atomes d'épaisseur, comme une pâtisserie phyllo moléculaire.
À de basses températures inférieures à 132 Kelvin (-222 Fahrenheit), les couches sont magnétisées – les spins des électrons s'alignent les uns avec les autres. La direction du champ magnétique passe à la direction opposée d'une couche à l'autre. Il s'agit d'une structure antiferromagnétique.
Au-dessus de 132 Kelvin, le matériau n'est pas magnétisé – la chaleur empêche les tours d'électrons de rester alignées, ils pointent donc dans des directions aléatoires. Dans l'état non magnétisé, les excitons ne sont pas piégés mais s'étendent sur plusieurs couches atomiques, ce qui les rend en trois dimensions. Ils peuvent également se déplacer dans n'importe quelle direction.
Lorsque la structure antiferromagnétique limite les excitons à une seule couche atomique, les excitons sont encore limités à une seule ligne – une seule dimension – car ils ne peuvent facilement se déplacer le long d'un seul des deux axes du plan.
Dans un appareil quantique, ce confinement aide les informations quantiques à durer plus longtemps car les excitons sont moins susceptibles de se heurter les uns aux autres et de perdre les informations qu'ils transportent.
« L'ordre magnétique est un nouveau bouton de réglage pour façonner les excitons et leurs interactions.
L'équipe expérimentale, dirigée par Huber, a produit des excitons à l'intérieur d'un échantillon de bromure de sulfure de chrome en le frappant avec des impulsions de lumière infrarouge seulement 20 quadrillions de seconde. Ensuite, ils ont utilisé un autre laser infrarouge avec des impulsions moins énergiques pour pousser les excitons dans des états d'énergie légèrement plus élevés.
De cette façon, ils ont découvert qu'il existe deux variations des excitons avec des énergies étonnamment différentes – lorsque normalement, ils auraient des énergies identiques. Cette division d'un état énergétique est connue sous le nom de structure fine.
L'équipe a également exploré comment le matériau varie dans l'espace en tirant ces impulsions moins énergiques le long de deux axes différents dans le matériau pour sonder les structures internes des excitons. Cette approche a révélé les excitons hautement dépendants de la direction, qui pouvaient être confinés à une ligne ou étendus en trois dimensions. Ces configurations peuvent être ajustées en fonction des états magnétiques, commutables à travers des champs magnétiques externes ou des changements de température.
« Étant donné que les degrés de liberté électroniques, photoniques et spin sont fortement liés, la commutation entre un état magnétisé et non magnétisé pourrait servir de moyen extrêmement rapide de convertir des informations quantiques à base de photons et de spin », a déclaré Matthias Florian, UM Research Investigator in Electrical et auteur de l'ingénierie informatique et co-pri-premier avec Marlene Liebich, un doctorat. candidat en physique à l'Université de Regensburg.
L'équipe théorique, dirigée par Kira, a expliqué ces résultats avec des calculs quantiques à plusieurs corps. Les calculs ont utilisé la structure du matériau pour prédire systématiquement le fractionnement de structure fine exceptionnellement important dans le matériau ordonné magnétiquement et les transitions entre les deux états d'exciton lorsque le matériau est passé dans et hors de l'ordre magnétique.
Ils ont également confirmé que la transition des excitons unidimensionnelles à trois dimensions représentait les changements substantiels observés dans la durée des excitons sans collision, car les excitons plus grands et plus mobiles ont plus d'occasions de collision.
L'une des grandes questions que l'équipe prévoit de poursuivre est de savoir si ces excitons incorporés dans la séparation des charges peuvent être convertis en excitations magnétiques incorporées dans des tours d'électrons. Si cela peut être fait, il fournirait une avenue utile pour convertir des informations quantiques entre les mondes très différents des photons, des excitons et des tours.
Des chercheurs de l'Université de Chemistry and Technology Prague, en République tchèque, et de l'Université de technologie de Dresde, en Allemagne, ont également contribué à l'étude.
