Des chercheurs de l'université Penn State travaillent sur l'électronique avancée en utilisant ce que l'on appelle les états de courbure, qui sont des voies spéciales pour les électrons dans les matériaux. Ces voies pourraient aider à créer des réseaux d'information quantique, essentiels pour la prochaine génération d'électronique. Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs de l'Université Penn State développent une électronique quantique avancée utilisant des états de courbure, qui sont des voies électroniques uniques dans les matériaux semi-conducteurs.
Ces états pourraient potentiellement former l’épine dorsale d’un réseau d’interconnexion quantique, essentiel pour transmettre efficacement les informations quantiques. L’équipe a réalisé des progrès significatifs dans le contrôle de ces états grâce à des combinaisons de matériaux et des conceptions de dispositifs innovants, améliorant ainsi le potentiel d’une électronique quantique évolutive.
La clé du développement de l'électronique quantique pourrait avoir quelques failles. Selon une équipe dirigée par des chercheurs de l'université Penn State, ce n'est pas une mauvaise chose lorsqu'il s'agit du contrôle précis nécessaire à la fabrication et au fonctionnement de tels dispositifs, notamment des capteurs et des lasers avancés. Les chercheurs ont fabriqué un interrupteur pour activer et désactiver la présence d'états de courbure, qui sont des voies de conduction électrique à la périphérie des matériaux semi-conducteurs. En contrôlant la formation de ces états de courbure, les chercheurs peuvent réguler le flux d'électrons dans un système quantique.
Exploration des états de kink pour l'information quantique
« Nous envisageons la construction d’un réseau d’interconnexion quantique utilisant les états de courbure comme épine dorsale », a déclaré le chef d’équipe Jun Zhu, professeur de physique à Penn State. Zhu est également affilié au Center for 2-Dimensional Layered Materials de Penn State. « Un tel réseau pourrait être utilisé pour transporter des informations quantiques sur une puce sur une longue distance, pour lesquelles un fil de cuivre classique ne fonctionnerait pas car il présente une résistance et ne peut donc pas maintenir la cohérence quantique. »
L'ouvrage, publié récemment dans la revue Sciencefournit potentiellement une base aux chercheurs pour continuer à étudier les états de courbure et leur application dans les dispositifs d'optique quantique électronique et les ordinateurs quantiques.
Mécanique de commutation et effet Hall de la vallée quantique
« Ce commutateur fonctionne différemment d’un commutateur classique, où le courant électrique est régulé par une porte, de la même manière que la circulation dans une gare de péage », a expliqué Zhu. « Ici, nous supprimons et reconstruisons la route elle-même ».
Des états de kink existent dans un dispositif quantique construit avec un matériau connu sous le nom de bicouche de Bernal graphène. Il s'agit de deux couches de carbone atomiquement fines empilées l'une sur l'autre, de telle sorte que les atomes d'une couche ne sont pas alignés par rapport aux atomes de l'autre. Cette disposition, associée à l'utilisation d'un champ électrique, crée des propriétés électroniques inhabituelles, notamment l'effet Hall de la vallée quantique.
Cet effet fait référence au phénomène selon lequel les électrons occupant différents états de « vallée » — identifiés en fonction de leur énergie par rapport à leur impulsion — se déplacent également dans des directions opposées vers l’avant et vers l’arrière. Les états de kink sont des manifestations de l’effet Hall de vallée quantique.
Intégration avancée des matériaux et applications quantiques
« Ce qui est étonnant avec nos dispositifs, c’est que nous pouvons empêcher les électrons se déplaçant dans des directions opposées d’entrer en collision les uns avec les autres – ce que l’on appelle la rétrodiffusion – même s’ils partagent les mêmes voies », a déclaré le premier auteur Ke Huang, un étudiant diplômé qui prépare un doctorat en physique à Penn State sous la direction de Zhu. « Cela correspond à l’observation d’une valeur de résistance « quantifiée », qui est essentielle à l’application potentielle des états de courbure comme fils quantiques pour transmettre des informations quantiques. »
Bien que le laboratoire Zhu ait déjà publié des articles sur les états de courbure, ils n'ont pu quantifier l'effet Hall de la vallée quantique dans le cadre de leurs travaux actuels qu'après avoir amélioré la propreté électronique des dispositifs, c'est-à-dire avoir supprimé les sources qui pourraient permettre aux électrons se déplaçant dans des directions opposées d'entrer en collision. Ils y sont parvenus en incorporant une pile propre de graphite/nitrure de bore hexagonal comme porte globale — ou un mécanisme qui peut permettre le flux d'électrons — dans les dispositifs.
Le graphite et le nitrure de bore hexagonal sont des composés couramment utilisés comme lubrifiants pour les peintures, les cosmétiques et bien plus encore. Le graphite conduit bien l'électricité tandis que le nitrure de bore hexagonal est un isolant. Les chercheurs ont utilisé cette combinaison pour contenir les électrons dans les états de courbure et contrôler leur flux.
Orientations futures de l'électronique quantique
« L’incorporation d’une pile de graphite/nitrure de bore hexagonal comme porte globale est d’une importance cruciale pour l’élimination de la rétrodiffusion des électrons », a déclaré Huang, notant que l’utilisation de ce matériau était l’avancée technique clé de l’étude actuelle.
Les chercheurs ont également constaté que la quantification des états de courbure reste la même lorsque la température est élevée à plusieurs dizaines de Kelvin, l'unité scientifique de température. Zéro Kelvin correspond à -460 degrés Fahrenheit.
« Les effets quantiques sont souvent fragiles et ne survivent qu’à des températures cryogéniques de quelques Kelvin », a déclaré Zhu. « Plus nous parviendrons à faire fonctionner ce phénomène à des températures élevées, plus il sera probable qu’il soit utilisé dans des applications. »
Les chercheurs ont testé expérimentalement le commutateur qu'ils ont construit et ont découvert qu'il pouvait contrôler rapidement et de manière répétée le flux de courant. Cela s'ajoute à l'arsenal de widgets électroniques quantiques basés sur l'état de courbure qui aident à contrôler et à diriger les électrons (valve, guide d'ondes, séparateur de faisceau) précédemment construits par le laboratoire Zhu.
« Nous avons développé un système d’autoroute quantique capable de transporter des électrons sans collision, programmé pour diriger le flux de courant et potentiellement évolutif – tout cela constitue une base solide pour de futures études explorant la science fondamentale et les potentiels d’application de ce système », a déclaré Zhu. « Bien sûr, pour réaliser un système d’interconnexion quantique, nous avons encore un long chemin à parcourir. »
Zhu a noté que le prochain objectif de son laboratoire est de démontrer comment les électrons se comportent comme des ondes cohérentes lorsqu'ils voyagent sur les autoroutes de l'État.
Parmi les autres auteurs figurent Hailong Fu, ancien chercheur postdoctoral et Eberly Fellow en physique à Penn State, et actuel professeur adjoint à l'Université du Zhejiang, en Chine ; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi, tous deux de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon.
La National Science Foundation des États-Unis, le ministère américain de l'Énergie, la bourse de recherche Penn State Eberly, la Kaufman New Initiative de la Fondation de Pittsburgh, la Société japonaise pour la promotion de la science et la World Premier International Research Initiative du ministère japonais de l'Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie ont financé cette recherche.
