Des chercheurs de Penn State dévoilent une méthode électrique pour modifier le flux d’électrons dans les matériaux quantiques, ouvrant ainsi la voie à l’électronique avancée et aux ordinateurs quantiques.
Pour la première fois, des chercheurs ont démontré comment modifier électroniquement la direction du flux électronique dans des matériaux prometteurs pour l’informatique quantique.
Une nouvelle méthode électrique permettant de modifier facilement la direction du flux d’électrons dans certains matériaux quantiques pourrait avoir des implications pour le développement d’appareils électroniques et d’ordinateurs quantiques de nouvelle génération. Une équipe de chercheurs de Penn State a développé et démontré la méthode dans des matériaux présentant l’effet Hall anormal quantique (QAH), un phénomène dans lequel le flux d’électrons le long du bord d’un matériau ne perd pas d’énergie. L’équipe a décrit le travail dans un article publié le 19 octobre dans la revue Matériaux naturels.
Importance du contrôle du flux électronique
« À mesure que les appareils électroniques deviennent plus petits et que les exigences informatiques augmentent, il est de plus en plus important de trouver des moyens d’améliorer l’efficacité du transfert d’informations, ce qui inclut le contrôle du flux d’électrons », a déclaré Cui-Zu Chang, professeur en début de carrière Henry W. Knerr et professeur agrégé de physique à Penn State et auteur co-correspondant de l’article. « L’effet QAH est prometteur car il n’y a aucune perte d’énergie lorsque les électrons circulent le long des bords des matériaux. »
En 2013, Chang a été le premier à démontrer expérimentalement ce phénomène quantique. Les matériaux présentant cet effet sont appelés isolants QAH, qui sont un type d’isolant topologique – une fine couche de film de seulement quelques douzaines d’atomes d’épaisseur – qui ont été rendus magnétiques de manière à ne conduire le courant que sur leurs bords. Étant donné que les électrons se déplacent proprement dans une direction, l’effet est dit sans dissipation, ce qui signifie qu’aucune énergie n’est perdue sous forme de chaleur.
Une nouvelle méthode mise au point par des chercheurs de Penn State modifie commodément la direction du flux d’électrons dans les matériaux qui présentent l’effet Hall anormal quantique (QAH), un phénomène dans lequel le flux d’électrons le long du bord d’un matériau ne perd pas d’énergie. La méthode tire parti d’un mécanisme physique appelé couple spin-orbite, lié au magnétisme interne du matériau. L’application d’une impulsion de courant de 5 millisecondes au matériau a un impact sur le magnétisme interne et modifie la discrétion du flux d’électrons (par exemple de droitier à gaucher). Crédit : Chang Lab/Penn State
Nouvelle méthode électrique pour le contrôle électronique
« Dans un isolant QAH, les électrons d’un côté du matériau se déplacent dans une direction, tandis que ceux de l’autre côté se déplacent dans la direction opposée, comme sur une autoroute à deux voies », a déclaré Chang. « Nos travaux antérieurs ont démontré comment intensifier l’effet QAH, en créant essentiellement une autoroute à plusieurs voies pour un transport plus rapide des électrons. Dans cette étude, nous développons une nouvelle méthode électrique pour contrôler la direction de transport de l’autoroute des électrons et permettre à ces électrons de faire demi-tour immédiat.
Les chercheurs ont fabriqué un isolant QAH doté de propriétés spécifiques et optimisées. Ils ont découvert que l’application d’une impulsion de courant de 5 millisecondes à l’isolant QAH avait un impact sur le magnétisme interne du matériau et faisait changer de direction les électrons. La capacité de changer de direction est essentielle pour optimiser le transfert, le stockage et la récupération d’informations dans les technologies quantiques. Contrairement à l’électronique actuelle, où les données sont stockées dans un état binaire activé ou désactivé (un ou zéro), les données quantiques peuvent être stockées simultanément dans une gamme d’états possibles. Changer le flux d’électrons est une étape importante dans l’écriture et la lecture de ces états quantiques.
Du contrôle magnétique au contrôle électronique
« La méthode précédente pour changer la direction du flux d’électrons reposait sur un aimant externe pour modifier le magnétisme du matériau, mais l’utilisation d’aimants dans des appareils électroniques n’est pas idéale », a déclaré Chao-Xing Liu, professeur de physique à Penn State et co-auteur correspondant. du papier. « Les aimants encombrants ne sont pas pratiques pour les petits appareils comme les smartphones, et un interrupteur électronique est généralement beaucoup plus rapide qu’un interrupteur magnétique. Dans ce travail, nous avons trouvé une méthode électronique pratique pour changer la direction du flux d’électrons.
Les chercheurs ont précédemment optimisé l’isolant QAH afin de pouvoir profiter d’un mécanisme physique du système pour contrôler son magnétisme interne.
« Pour rendre cette méthode efficace, nous devions augmenter la densité du courant appliqué », a déclaré Liu. « En rétrécissant les dispositifs isolants QAH, l’impulsion de courant a entraîné une densité de courant très élevée qui a changé la direction de la magnétisation, ainsi que la direction de la route de transport des électrons. »
Ce passage du contrôle magnétique au contrôle électronique dans les matériaux quantiques, selon les chercheurs, est similaire à un changement qui s’est produit dans le stockage de mémoire traditionnel : alors que le stockage d’informations sur les disques durs et les disquettes d’origine impliquait l’utilisation d’aimants pour créer un champ magnétique. champ et écrire des données, les nouvelles « mémoires flash » telles que celles utilisées dans les clés USB, les disques durs SSD et les smartphones sont écrites électroniquement. De nouvelles technologies prometteuses pour augmenter la mémoire, telles que la MRAM, reposent également sur des mécanismes physiques liés au magnétisme interne.
Interprétation théorique et efforts futurs
Au-delà de la démonstration expérimentale, l’équipe de recherche a également fourni une interprétation théorique de leur méthodologie.
L’équipe étudie actuellement comment interrompre les électrons sur leur parcours, essentiellement pour allumer et éteindre le système. Ils cherchent également à démontrer l’effet QAH à des températures plus élevées.
« Cet effet, ainsi que les exigences actuelles en matière d’ordinateurs quantiques et de supraconducteurs, nécessitent des températures très basses à proximité de zéro absolu« , a déclaré Chang. « Notre objectif à long terme est de reproduire l’effet QAH à des températures plus pertinentes sur le plan technologique. »
Outre Chang et Liu, l’équipe de recherche de Penn State au moment de la recherche comprend les chercheurs postdoctoraux Wei Yuan, Yang Wang et Hemian Yi ; les étudiants diplômés Ling-Jie Zhou, Kaijie Yang, Yi-Fan Zhao, Ruoxi Zhang, Zijie Yan, Deyi Zhuo et Ruobing Mei ; Morteza Kayyalha, professeur adjoint de génie électrique ; et Moses Chan, professeur émérite de physique à l’Université Evan Pugh.
Le Bureau de recherche de l’Armée, le Bureau de recherche scientifique de l’Armée de l’Air et la National Science Foundation (NSF) ont financé cette recherche. Le Centre de recherche sur les matériaux et l’ingénierie pour la science à l’échelle nanométrique de Penn State, financé par la NSF, et l’initiative EPiQS de la Fondation Gordon et Betty Moore ont fourni un soutien supplémentaire.
