De nouvelles recherches démontrent le contrôle des états quantiques qui pourrait révolutionner l’efficacité énergétique dans l’électronique et faire progresser l’informatique quantique. Crédit : Issues.fr.com
Pour la première fois, des scientifiques manipulent électriquement un « état d'interface chiral » dans un matériau 2D, ce qui promet une microélectronique économe en énergie et l'informatique quantique.
- Les scientifiques ont pris les premières images à résolution atomique d'un phénomène quantique exotique qui pourraient aider les chercheurs à faire progresser l'informatique quantique et l'électronique économe en énergie.
- Les travaux permettent la visualisation et le contrôle du flux d’électrons dans une classe unique d’isolateurs quantiques.
- Les résultats pourraient aider les chercheurs à construire des réseaux accordables de canaux électroniques, prometteurs d’une informatique quantique efficace et de dispositifs de mémoire magnétique de faible consommation à l’avenir.
Percée dans l’informatique quantique et l’électronique
Une équipe de recherche internationale dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a pris les premières images à résolution atomique et démontré le contrôle électrique d’un état d’interface chiral – un phénomène quantique exotique qui pourrait aider les chercheurs à faire progresser l’informatique quantique et l’électronique économe en énergie.
Dévoilement des états d'interface chirale
L’état d’interface chirale est un canal conducteur qui permet aux électrons de se déplacer dans une seule direction, les empêchant d’être diffusés vers l’arrière et provoquant une résistance électrique gaspillant de l’énergie. Les chercheurs s’efforcent de mieux comprendre les propriétés des états d’interface chirale dans les matériaux réels, mais visualiser leurs caractéristiques spatiales s’avère extrêmement difficile.
Mais maintenant, pour la première fois, des images à résolution atomique capturées par une équipe de recherche du Berkeley Lab et de l’UC Berkeley ont directement visualisé un état d’interface chiral. Les chercheurs ont également démontré la création à la demande de ces canaux conducteurs sans résistance dans un isolant 2D.
Image de microscopie à effet tunnel d'une fonction d'onde d'état d'interface chirale (bande lumineuse) dans un isolant Hall anormal quantique fabriqué à partir de graphène monocouche-bicouche torsadé. Crédit : Canxun Zhang/Berkeley Lab
Faire progresser les applications des matériaux quantiques
Leurs travaux, rapportés dans la revue Physique naturellefait partie des efforts plus larges du Berkeley Lab visant à faire progresser l'informatique quantique et d'autres applications de systèmes d'information quantiques, y compris la conception et la synthèse de matériaux quantiques pour répondre aux besoins technologiques pressants.
« Notre travail montre pour la première fois à quoi ressemblent ces états 1D à l'échelle atomique, y compris comment nous pouvons les modifier – et même les créer. »
– Canxun Zhang, ancien chercheur étudiant diplômé, Division des sciences des matériaux
« Des expériences antérieures ont démontré l’existence d’états d’interface chiraux, mais personne ne les a jamais visualisés avec une résolution aussi élevée. Notre travail montre pour la première fois à quoi ressemblent ces états 1D à l'échelle atomique, y compris comment nous pouvons les modifier – et même les créer », a déclaré le premier auteur Canxun Zhang, ancien chercheur étudiant diplômé de la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et du Département de physique de l'UC Berkeley. Il est maintenant chercheur postdoctoral à l'UC Santa Barbara.
Techniques innovantes et applications futures
Les états d’interface chirale peuvent se produire dans certains types de matériaux 2D connus sous le nom d’isolants Hall anormaux quantiques (QAH) qui sont des isolants en vrac mais conduisent les électrons sans résistance au niveau des « bords » unidimensionnels – les limites physiques du matériau et les interfaces avec d’autres matériaux.
Pour préparer les états d'interface chirale, l'équipe a travaillé à la fonderie moléculaire du Berkeley Lab pour fabriquer un dispositif appelé monocouche-bicouche torsadée. graphènequi est un empilement de deux couches atomiquement minces de graphène tournées avec précision l'une par rapport à l'autre, créant un super-réseau moiré qui présente l'effet QAH.
Les images de microscopie à effet tunnel montrent une fonction d'onde d'état d'interface chirale (bande lumineuse) dans un isolant QAH fabriqué à partir de graphène monocouche-bicouche torsadé dans un appareil 2D. L'interface peut être déplacée à travers l'échantillon en modulant la tension sur une électrode de grille placée sous les couches de graphène. Crédit : Canxun Zhang/Berkeley Lab
Dans des expériences ultérieures au département de physique de l'UC Berkeley, les chercheurs ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM) pour détecter différents états électroniques dans l'échantillon, leur permettant ainsi de visualiser la fonction d'onde de l'état de l'interface chirale. D'autres expériences ont montré que l'état de l'interface chirale peut être déplacé à travers l'échantillon en modulant la tension sur une électrode de grille placée sous les couches de graphène. Dans une dernière démonstration de contrôle, les chercheurs ont montré qu’une impulsion de tension provenant de la pointe d’une sonde STM peut « écrire » un état d’interface chirale dans l’échantillon, l’effacer et même en réécrire un nouveau où les électrons circulent dans la direction opposée.
Impact potentiel et recherche en cours
Les résultats pourraient aider les chercheurs à construire des réseaux accordables de canaux électroniques prometteurs pour une microélectronique économe en énergie et des dispositifs de mémoire magnétique de faible consommation à l'avenir, ainsi que pour le calcul quantique utilisant les comportements électroniques exotiques dans les isolateurs QAH.
Les chercheurs ont l'intention d'utiliser leur technique pour étudier une physique plus exotique dans des matériaux connexes, tels que les anyons, un nouveau type de quasiparticules qui pourraient ouvrir la voie au calcul quantique.
«Nos résultats fournissent des informations qui n'étaient pas possibles auparavant. Il y a encore un long chemin à parcourir, mais c'est un bon premier pas », a déclaré Zhang.
Les travaux ont été dirigés par Michael Crommie, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et professeur de physique à l'UC Berkeley.
Tiancong Zhu, ancien chercheur postdoctoral du groupe Crommie du Berkeley Lab et de l'UC Berkeley, a contribué en tant qu'auteur co-correspondant et est maintenant professeur de physique à l'Université Purdue.
La fonderie moléculaire est une installation utilisateur du DOE Office of Science au Berkeley Lab.
Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du DOE. Un financement supplémentaire a été fourni par la National Science Foundation.
