Des puces informatiques aux capteurs d'image dans les caméras, la technologie d'aujourd'hui est massivement basée sur un semi-conducteur appelé Silicon. Cette technologie se rétrécit depuis des décennies – la réflexion des premiers ordinateurs de la taille d'une pièce par rapport aux ordinateurs de bureau d'aujourd'hui – mais les limitations physiques empêcheront bientôt une amélioration supplémentaire.
C'est pourquoi les scientifiques et les ingénieurs se préparent à une nouvelle génération de technologies, basée sur la mécanique quantique.
Les électrons dans les soi-disant « matériaux quantiques » se comportent différemment de ceux du silicium, permettant des comportements plus complexes, comme le magnétisme et la supraconductivité, qui sont utiles pour les futures technologies quantiques.
« Notre pièce du puzzle comprend comment ces matériaux fonctionnent comme une condition préalable pour les utiliser dans les appareils d'ingénierie », a déclaré Mark Dean, physicien du US Department of Energy (DOE) Brookhaven National Laboratory et leader du groupe de dynamique et de contrôle du département de la physique et de la science des matériaux condensés de Brookhaven.
Dean caractérise les matériaux quantiques à l'aide d'une technique appelée diffusion de rayons X inélastiques résonante, ou rix. Les Rix sont particulièrement adaptés pour sonder des échantillons aussi minces que une couche atomique et des états matériels qui changent très rapidement. Et avec des développements technologiques récents, les chercheurs s'attendent à ce que cette technique permette des études impensables il y a seulement cinq ans.
Ce progrès a donné à Dean et trois collègues – Matteo Mitrano, Steven Johnston et Young-June Kim – l'impulsion de tracer où se passe le terrain dans son ensemble. Ils ont donc résumé l'état de l'état de l'art de la technique et comment ils s'attendent à ce que le domaine progresse dans un article de perspective, récemment publié dans Revue physique x.
Rixs 101
Dans les rix, les chercheurs excitent ou perturbent les matériaux en les zappant avec des rayons X ultrabright. Cette interaction modifie à la fois les rayons X et le matériau, mais les chercheurs peuvent utiliser des spectromètres pour mesurer avec précision les changements dans l'énergie et l'élan aux rayons X. À partir de ces mesures, les chercheurs peuvent déduire les changements d'énergie et de quantité de mouvement qui se sont produits dans le matériau et comment les électrons du matériau interagissaient les uns avec les autres.
« C'est comme une chaîne de guitare », a expliqué Johnston, professeur de physique et d'astronomie de Bains à l'Université du Tennessee. « Pour jouer à l'instrument, un musicien enfonce ses doigts à différents frettes, changeant efficacement la longueur des cordes. En fonction de la fréquence du son qui sort de la guitare, vous pouvez comprendre la longueur de la chaîne de guitare. »
Alors que d'autres techniques d'imagerie des rayons X donnent des conseils sur le comportement des électrons, Rixs est unique en ce qu'il capture clairement les fluctuations microscopiques et les excitations des électrons « , permettant aux expérimentateurs d'examiner les endroits qui étaient conventionnellement interdits », a déclaré Kim, professeur de physique à l'Université de Toronto et à l'ancien collègue de Goldhaber à Brookhaven Lab.
En effet, avec l'équipement approprié, les rix peuvent être utilisés pour mesurer des changements extrêmement faibles dans l'énergie des rayons X.
« Nous avons l'un des meilleurs endroits du monde pour faire des rix », a déclaré Dean, se référant à la ligne de diffusion de rayons X inélastiques douce (six) à la Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une facilité d'utilisation des Doe Office of Science à Brookhaven Lab.
La ligne de faisceau à six est une station expérimentale de pointe qui résiste aux vibrations et particulièrement capable de capturer de petits changements d'énergie à une haute résolution – et il a déjà permis plusieurs études de rix réussies. Par exemple, Mitrano, Johnston et Dean ont collaboré avec six scientifiques de la ligne de faisceau Valentina Bisogni et Jonathan Pelliciari pour découvrir des détails sur la formation et le comportement des objets mobiles, microscopiques de type particules appelés «excitons».
Exploration des matériaux quantiques avec des rix
Les chercheurs ont également utilisé des rix pour observer le comportement électronique des matériaux quantiques, fournissant des informations clés sur la façon dont ces matériaux sont utiles pour les technologies futures. Mais certaines des applications les plus excitantes de Rix, explorées dans le document de perspective, sont encore à venir.
Par exemple, les chercheurs prévoient d'utiliser des rix pour prouver directement la présence d'un enchevêtrement quantique: une propriété effrayante dans laquelle deux particules ou plus sont liées, même si elles sont séparées par des distances significatives. Bien que l'intrication soit fondamentale pour les sciences de l'information quantique – et une caractéristique clé de la future technologie quantique – la propriété reste insaisissable.
« » Quantum « a été utilisé comme mot à la mode au cours de la dernière décennie, mais nous devons être plus descriptifs sur ce qui qualifie un matériau de » quantum « », a expliqué Mitrano. « Donc, nous nous sommes lancés dans ce voyage pour déterminer si nous pouvons détecter l'enchevêtrement et exploiter ses propriétés. »
Bien que Dean s'attend à ce que six restent instrumentaux dans l'exploration des matériaux quantiques, d'autres sources de rayons X, comme la source de lumière cohérente Linac (LCLS) au DOE's SLAC National Accelerator Laboratory, permettent des mesures ultrarapilées avec des rix.
« Nous pouvons utiliser une impulsion laser, par exemple, pour manipuler l'état quantique du matériau, puis nous pouvons observer ces nouveaux états avec des rix », a expliqué Dean. Ces états quantiques ne durent que des picosecondes – l'équivalent des milliards de milliards de secondes – c'est pourquoi les mesures doivent être «ultrarapides». Mais ces états de matière à découvert pourraient présenter de nouvelles propriétés qui débloqueront de nouvelles capacités technologiques.
« Rixs nous donne un nouveau terrain de jeu pour comprendre comment la lumière peut être utilisée pour manipuler les matériaux et leurs propriétés à l'échelle microscopique », a déclaré Kim.
Les matériaux quantiques composés de plusieurs couches bidimensionnelles, comme celles fabriquées par la presse de matériaux quantiques au centre de nanomatériaux fonctionnels (CFN), présentent également des propriétés nouvelles et technologiquement pertinentes que les chercheurs ont hâte d'explorer avec des rix. CFN est une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du DOE à Brookhaven Lab.
Malgré le succès éprouvé de la technique, « la façon dont les rayons X interagissent avec les matériaux sont assez compliqués », a déclaré Johnston. Cela rend les Rix souvent difficiles à interpréter, mais des collaborations étroites entre les théoriciens et les expérimentalistes ont considérablement profité au domaine.
Notamment, la technologie derrière les Rix continue de progresser rapidement, assurant la technique pour apporter des contributions encore plus percutantes à la compréhension des matériaux quantiques qui pourraient constituer de futurs ordinateurs, capteurs, systèmes de communication et bien plus encore.
