Utilisé comme un matériau polyvalent dans l'industrie et les soins de santé, l'oxyde de magnésium peut également être un bon candidat pour les technologies quantiques. Recherche menée par le laboratoire national Argonne du Département américain de l'Énergie (DOE) et publié dans MATÉRIAUX DE COMPORTATION NPJ révèle un défaut dans le minéral qui pourrait être utile pour les applications quantiques.
Les chercheurs explorent les éléments constitutifs possibles, appelés qubits, pour les systèmes qui pourraient exploiter les propriétés quantiques. Ces systèmes pourraient fonctionner dans divers appareils qui peuvent surpasser les superordinateurs classiques, former des réseaux non backables ou détecter les plus faibles signaux.
Déverrouiller le potentiel des qubits pour des applications telles que l'informatique quantique, la détection et les communications nécessite une compréhension des matériaux à l'échelle atomique.
Les qubits peuvent être conçus en utilisant de nombreux matériaux et stratégies différents. Une telle stratégie est un «défaut de rotation», où une irrégularité dans la structure atomique d'un matériau peut héberger des informations. Une irrégularité peut prendre la forme d'atomes manquants ou d'atomes « étrangers » (également appelés dopants) ajoutés au matériau.
Le carbure de silicium et le diamant, entre autres matériaux, ont des défauts de rotation bien étudiés. Par exemple, le « centre de vide d'azote » dans le diamant est un défaut de rotation prototypique où un atome d'azote (le dopant) se trouve à côté d'un atome de carbone manquant (la vacance).
Bien que prometteurs, le carbure de silicium et le diamant présentent des inconvénients qui justifient d'explorer l'utilisation d'autres solides comme hôtes pour les défauts de spin. De plus, l'identification des défauts de spin chez les nouveaux hôtes pourrait étendre le potentiel des applications quantiques.
L'oxyde de magnésium entre dans l'arène quantique
Outre une grande variété d'applications dans la construction, les soins de santé, le traitement des eaux usées et d'autres secteurs, l'oxyde de magnésium est couramment utilisé en microélectronique. Les appareils microélectroniques alimentent les systèmes innombrables, tels que les smartphones et les capteurs. Dans cette recherche, les scientifiques ont cherché à étendre encore plus l'utilisation de l'oxyde de magnésium et à explorer sa promesse pour les technologies quantiques.
Lors de l'exploration des matériaux Qubit, le nom du jeu est la cohérence: le temps qu'un qubit peut conserver à son état avant que son environnement ne le perturbe.
Une étude 2022 a prédit que l'oxyde de magnésium pouvait posséder de longs temps de cohérence pour les défauts de spin. Les chercheurs de cette étude comprenaient Giulia Galli, scientifique principal d'Argonne et professeur de famille de Liew de structure électronique et de simulation à la Pritzker School of Molecular Engineering et au Département de chimie de l'Université de Chicago.
Dans la nouvelle étude, Argonne Materials Scientist et Maria Goeppert Mayer Vrindaa Somjit et Galli, avec des collègues de l'Université de Chicago et de l'Université de Linköping en Suède, ont décidé d'explorer le potentiel signalé dans les recherches antérieures.
« Tout matériel peut avoir d'innombrables défauts possibles », a déclaré Somjit. « Bien que l'étude de 2022 ait indiqué que l'oxyde de magnésium soit un temps de cohérence de rotation potentiellement long, nous ne savions pas quel défaut particulier serait prometteur. »
Des milliers de défauts à un qubit prometteur
En utilisant un dépistage à haut débit, qui évalue rapidement les candidats à travers des filtres automatisés sur un ordinateur haute performance, l'équipe a revu près de 3 000 défauts dans l'oxyde de magnésium.
Parmi les caractéristiques qu'ils ont recherchées, deux d'entre elles sont particulièrement intéressantes pour les qubits – comment le défaut interagit avec la lumière et les propriétés de spin du défaut.
L'identification de ces caractéristiques a réduit le nombre de défauts de spin potentiels à 40. De ceux-ci, l'équipe a en outre recherché des défauts qui pourraient être très probablement synthétisés expérimentalement.
Le gagnant: un centre d'appareils à l'azote similaire à celui étudié en diamant. Le centre d'appareils à l'azote dans l'oxyde de magnésium se compose d'un atome d'azote (le dopant) à côté d'un atome de magnésium manquant (la vacance).
Ce premier cycle de dépistage a consisté à une image à faible performance des propriétés du candidat de défaut de spin dans l'oxyde de magnésium. Pour obtenir une caractérisation plus précise, Somjit et Team ont effectué des calculs en utilisant des théories de haut niveau et des codes open-source développés par le Midwest Integrated Center for Computational Materials, un centre de science des matériaux de calcul dont le siège est à Argonne et dirigé par Galli.
L'équipe a effectué ses calculs sur les ordinateurs de haute performance dans les installations d'utilisateurs de deux Doe Office of Science, l'Argonne Leadership Computing Facility (en particulier le Polaris Supercomputer) et le National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) au Lawrence Berkeley National Laboratory.
Avec ces calculs, l'équipe a pu caractériser et comprendre les propriétés optiques du défaut et comment elle interagit avec les atomes de magnésium et d'oxygène environnants. Les propriétés prédites par la théorie et le calcul seront utiles pour guider la caractérisation expérimentale future de ce défaut.
« En utilisant notre ensemble de logiciels intégrés, qui met en œuvre efficacement des méthodes de structure électronique précises, nous avons pu élucider les propriétés d'un nouveau spin qubit dans un nouveau matériau d'oxyde d'hôte. Nous sommes impatients de l'étendre à d'autres défauts de spin et hôtes », a déclaré Galli.
Maintenant que les calculs du document ont confirmé l'idée qu'un centre d'appareils à l'azote dans l'oxyde de magnésium pourrait être utilisé comme qubit pour stocker des informations, la prochaine étape consiste à collaborer avec des scientifiques expérimentaux pour synthétiser un tel qubit dans le laboratoire, a déclaré Somjit.
La recherche a également révélé le potentiel d'utiliser le même protocole de calcul pour explorer d'autres défauts prometteurs dans l'oxyde de magnésium et d'autres matériaux.
« Nous avons calculé plusieurs propriétés électroniques et optiques différentes dans cette étude, ce qui nous a donné un aperçu approfondi de l'hôte de l'oxyde de magnésium et du qubit d'appartenance à l'azote. Mais bien sûr, ce n'est que le début », a déclaré Somjit.
« Il existe de nombreuses autres propriétés qui peuvent être calculées qui se prêteraient à concevoir de meilleurs qubits dans les matériaux d'oxyde. »
