Il existe un nombre apparemment infini d'états quantiques qui décrivent la matière quantique et les phénomènes étranges qui émergent lorsque un grand nombre d'électrons interagissent. Depuis des décennies, bon nombre de ces États sont théoriques: les prédictions mathématiques et informatiques potentiellement cachées parmi les matériaux réels – un zoo, comme de nombreux scientifiques viennent y faire référence, avec de nouveaux « espèces » J'attends juste d'être découvert et décrit.
Dans une nouvelle étude publiée le 3 avril Nature, Les chercheurs ont ajouté plus d'une douzaine d'États au zoo quantique croissant.
« Certains de ces États n'ont jamais été vus auparavant, » Ledit auteur principal Xiaoyang Zhu, professeur de famille Howard de nanoscience à Columbia. « Et nous ne nous attendions pas non plus à en voir autant. »
Parmi eux, il y a des états qui pourraient être utilisés pour créer ce qui est connu, théoriquement en ce moment, en tant qu'ordinateur quantique topologique. Les ordinateurs quantiques topologiques auront des propriétés quantiques uniques qui devraient les rendre moins sujets aux erreurs qui entravent les ordinateurs quantiques, qui sont actuellement construits avec des matériaux supraconducteurs.
Mais les matériaux supraconducteurs sont perturbés par des aimants, qui ont jusqu'à présent été utilisés dans les tentatives de création des états topologiques nécessaires pour cette prochaine génération (toujours non réalisée) d'ordinateurs quantiques. Le zoo de Zhu résout ce problème: les États que lui et son équipe ont découverts peuvent tous être créés sans aimant externe, grâce aux propriétés spéciales d'un matériau appelé Twisted Molybdène Ditelluride.
De la salle de l'histoire quantique
Le phénomène sous-jacent à certains des nouveaux États que Zhu et son équipe ont découvert pourraient être liés à l'effet Hall. L'effet de la salle classique, découvert en 1879, décrit comment les électrons traversant une bande de métal le long de son bord lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique; Plus l'aimant est fort, plus la différence de tension à travers le métal.
Lorsque les électrons sont exposés à un champ magnétique à des températures ultracold et en seulement deux dimensions, où les effets de la mécanique quantique sont le plus facilement observés, le changement de tension n'est plus proportionnel au champ magnétique; Au lieu d'une augmentation linéaire, il devient « quantifié » et saute dans les étapes liées à la charge d'un électron – une particule avec la plus petite charge connue.
Ces étapes quantiques peuvent être décomposées en encore plus petites, formant des états avec des charges qui sont des fractions de celles d'un électron: -½, -⅔, -⅓, etc. Pour cette observation, le professeur émérite de Columbia Horst Stormer a partagé le prix Nobel de physique en 1998.
Ce « Effet de salle quantique fractionnaire » est une bizarrerie contre-intuitive de la mécanique quantique, Stormer a expliqué dans sa conférence Nobel: « Cela implique que de nombreux électrons, agissant de concert, peuvent créer de nouvelles particules ayant une charge plus petite que la charge de tout électron individuel. Ce n'est pas ainsi que les choses sont censées être…. Et pourtant, nous savons avec certitude qu'aucun de ces électrons ne s'est divisé en morceaux. »
Les chercheurs chassent l'effet fractionnaire de la salle quantique depuis des décennies, et il est apparu dans un certain nombre de matériaux différents. Un pas en avant majeur s'est produit en 2023 lorsque Xiaodong Xu, physicien à l'Université de Washington et membre du Centre de recherche sur la frontière énergétique du Département de l'énergie de Columbia sur les matériaux quantiques programmables (ProQM), a découvert un effectif de salles quantiques anormal – sans aimant – à la suite de ce qui a été connu dans le motif de mûre. La découverte de Xu a été soutenue par des expériences à Cornell et par les résultats de l'Université Shanghai Jiao Tong.
Le travail de Xu, dirigé par son doctorat. Étudiants Jiaqi Cai et Heonjeoon Park et publié dans deux articles également dans Naturea révélé deux états de hall anormaux quantiques fractionnaires très convoités (FQAH), a expliqué Zhu. Il y avait plus à venir.
Le secret? C'est A-Moirré…
Les matériaux avec lesquels l'équipe ProQM ont travaillé et avec lesquelles ils recherchent souvent sont des matériaux Moiré, des couches minces de l'atome composées de divers éléments qui sont tordus, toujours légèrement, les uns par rapport aux autres. Le résultat est un motif en nid d'abeille avec des propriétés non trouvées dans les couches uniques ou les cristaux en vrac à partir desquels les couches sont pelées.
Lorsque des couches de ditelluride de molybdène sont tordues, elles deviennent topologiques. Cela signifie que leurs électrons sont tenus dans des arrangements particuliers qui les encouragent à se joindre à l'ensemble plus grand qui peut, à son tour et contre-intuitivement, se décomposer en charges de salle quantique fractionnée. La torsion donne également un champ magnétique interne – éliminant le besoin d'un aimant externe.
Juste l'été dernier, Yiping Wang, Max-Planck NYC Center Postdoctoral Fellow à Columbia et auteur principal sur le document actuel, ont obtenu un échantillon du laboratoire de Xu. Zhu voyageait lorsqu'elle a décidé d'exécuter quelques expériences dessus avec une technique de spectroscopie de Bump-Brobe développée par le co-auteur et collègue Simons Eric Arsenault. Son écran s'est allumé avec des pics, correspondant à des dizaines de charges fractionnées, y compris à des fractions qui ont été théoriquement prédites être les composants nécessaires pour construire un ordinateur quantique topologique: les tout-appels non-Abéliens.
Dans leur approche Pump-Grobe, une impulsion laser « fondre » Les états quantiques dans le matériau puis une seconde détecte le changement de constante diélectrique, une mesure de la résistance des interactions électriques, à mesure que les états réapparaissent. La méthode d'Arsenault utilise un laser extrêmement rapide capable de taquiner la différence subtile dans tant de niveaux d'énergie fractionnaire. « Cette découverte établit également la spectroscopie de serviette de pompe comme jusqu'à présent la technique la plus sensible pour détecter les états quantiques de la matière, » dit Zhu.
En plus de découvrir les États dans leur énergie le plus bas ou le plus au sol, il capture également les détails à mesure qu'ils changent. « On a l'impression que nous sommes entrés dans une nouvelle dimension, le temps, pour explorer la corrélation et la topologie à l'état fondamental, » dit Wang. « Ils continuent de nous surprendre, surtout lorsque nous les poussons hors de l'équilibre. »
Maintenant, il est temps de comprendre précisément quels sont tous ces nouveaux États et à quoi pourraient être les plus utiles. « Il y en a tellement. Nous espérons que ces résultats et notre technique inspirent les autres à explorer, » dit Zhu.
C'est en effet un zoo là-bas.
