in

Percée de l’informatique quantique : la nouvelle fusion de matériaux possède tous les composants requis pour un type unique de supraconductivité

SciTechDaily

Des chercheurs de Penn State ont introduit une fusion de matériaux révolutionnaire qui permet une nouvelle forme de supraconductivité, cruciale pour faire progresser l’informatique quantique et explorer les particules chirales théoriques de Majorana. Leur étude démontre comment la combinaison de matériaux magnétiques peut conduire à une supraconductivité émergente, marquant un pas significatif dans la création de supraconducteurs topologiques chiraux et ouvrant potentiellement de nouvelles voies dans la recherche en informatique quantique.

Une nouvelle fusion de matériaux, chacun doté de propriétés électriques particulières, possède tous les composants requis pour un type unique de supraconductivité qui pourrait constituer la base d’un système plus robuste. l’informatique quantique. La nouvelle combinaison de matériaux, créée par une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State, pourrait également fournir une plate-forme pour explorer des comportements physiques similaires à ceux de mystérieuses particules théoriques connues sous le nom de Majoranas chirales, ce qui pourrait être un autre composant prometteur pour l’informatique quantique.

La nouvelle étude a été récemment publiée dans la revue Science. Le travail décrit comment les chercheurs ont combiné les deux matériaux magnétiques dans ce qu’ils ont appelé une étape critique vers la réalisation de la supraconductivité interfaciale émergente, vers laquelle ils travaillent actuellement.

Le rôle des supraconducteurs topologiques chiraux

Les supraconducteurs – matériaux sans résistance électrique – sont largement utilisés dans les circuits numériques, les aimants puissants de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et les accélérateurs de particules, ainsi que dans d’autres technologies où maximiser le flux d’électricité est crucial. Lorsque les supraconducteurs sont combinés avec des matériaux appelés isolants topologiques magnétiques – des films minces de seulement quelques atomes d’épaisseur qui ont été rendus magnétiques et limitent le mouvement des électrons à leurs bords – les nouvelles propriétés électriques de chaque composant travaillent ensemble pour produire des « supraconducteurs topologiques chiraux ». La topologie, ou les géométries et symétries spécialisées de la matière, génère des phénomènes électriques uniques dans le supraconducteur, qui pourraient faciliter la construction d’ordinateurs quantiques topologiques.

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel d’effectuer des calculs complexes en une fraction du temps nécessaire aux ordinateurs traditionnels car, contrairement aux ordinateurs traditionnels qui stockent les données sous forme de un ou de zéro, les bits quantiques des ordinateurs quantiques stockent les données simultanément dans une gamme d’états possibles. Les ordinateurs quantiques topologiques améliorent encore l’informatique quantique en tirant parti de la façon dont les propriétés électriques sont organisées pour rendre les ordinateurs robustes à la décohérence, ou à la perte d’informations qui se produit lorsqu’un système quantique n’est pas parfaitement isolé.

Percée dans la combinaison de matériaux

« La création de supraconducteurs topologiques chiraux est une étape importante vers le calcul quantique topologique qui pourrait être étendu à une large utilisation », 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 le papier. « La supraconductivité topologique chirale nécessite trois ingrédients : la supraconductivité, le ferromagnétisme et une propriété appelée ordre topologique. Dans cette étude, nous avons produit un système possédant ces trois propriétés.

Les chercheurs ont utilisé une technique appelée épitaxie par jet moléculaire pour empiler un isolant topologique rendu magnétique et un chalcogénure de fer (FeTe), un métal de transition prometteur pour exploiter la supraconductivité. L’isolant topologique est un ferromagnétique – un type d’aimant dont les électrons tournent de la même manière – tandis que FeTe est un antiferromagnétique dont les électrons tournent dans des directions alternées. Les chercheurs ont utilisé diverses techniques d’imagerie et d’autres méthodes pour caractériser la structure et les propriétés électriques du matériau combiné résultant et ont confirmé la présence des trois composants critiques de la supraconductivité topologique chirale à l’interface entre les matériaux.

Explorer la supraconductivité et le ferromagnétisme

Des travaux antérieurs dans ce domaine se sont concentrés sur la combinaison de supraconducteurs et d’isolants topologiques non magnétiques. Selon les chercheurs, l’ajout du ferromagnétique a été particulièrement difficile.

« Normalement, la supraconductivité et le ferromagnétisme sont en concurrence, il est donc rare de trouver une supraconductivité robuste dans un système de matériaux ferromagnétiques », a déclaré Chao-Xing Liu, professeur de physique à Penn State et co-auteur correspondant de l’article. « Mais la supraconductivité de ce système est en réalité très résistante au ferromagnétisme. Il faudrait un champ magnétique très puissant pour supprimer la supraconductivité.

L’équipe de recherche étudie toujours pourquoi la supraconductivité et le ferromagnétisme coexistent dans ce système.

« C’est en fait assez intéressant car nous avons deux matériaux magnétiques non supraconducteurs, mais nous les avons assemblés et l’interface entre ces deux composés produit une supraconductivité très robuste », a déclaré Chang. « Le chalcogénure de fer est antiferromagnétique, et nous prévoyons que sa propriété antiferromagnétique soit affaiblie autour de l’interface pour donner naissance à la supraconductivité émergente, mais nous avons besoin de plus d’expériences et de travaux théoriques pour vérifier si cela est vrai et clarifier le mécanisme supraconducteur. »

Potentiel pour la recherche sur les particules Majorana

Les chercheurs ont déclaré qu’ils pensaient que ce système serait utile dans la recherche de systèmes matériels présentant des comportements similaires à ceux des particules Majorana – des particules subatomiques théoriques émises pour la première fois en 1937. Les particules Majorana agissent comme leur propre antiparticule, une propriété unique qui pourrait potentiellement leur permettre d’être utilisés comme bits quantiques dans les ordinateurs quantiques.

« Fournir des preuves expérimentales de l’existence du Majorana chiral sera une étape cruciale dans la création d’un ordinateur quantique topologique », a déclaré Chang. « Notre domaine a connu un passé mouvementé en essayant de trouver ces particules insaisissables, mais nous pensons qu’il s’agit d’une plate-forme prometteuse pour explorer la physique de Majorana. »

Outre Chang et Liu, l’équipe de recherche de Penn State au moment de la recherche comprenait le chercheur postdoctoral Hemian Yi ; les étudiants diplômés Yi-Fan Zhao, Ruobing Mei, Zi-Jie Yan, Ling-Jie Zhou, Ruoxi Zhang, Zihao Wang, Stephen Paolini et Run Xiao ; Ke Wang et Anthony Richardella, professeurs-chercheurs adjoints à l’Institut de recherche sur les matériaux ; Moses Chan, professeur émérite de physique à l’Université Evan Pugh ; et professeur de physique Verne M. Willaman et professeur de science et d’ingénierie des matériaux Nitin Samarth. L’équipe de recherche comprend également Ying-Ting Chan et Weida Wu de l’Université Rutgers ; Jiaqi Cai et Xiaodong Xu au Université de Washington; Xianxin Wu de l’Académie chinoise des sciences ; John Singleton et Laurel Winter au Laboratoire national des champs magnétiques élevés ; Purnima Balakrishnan et Alexander Grutter de l’Institut national des normes et de la technologie ; et Thomas Prokscha, Zaher Salman et Andreas Suter de l’Institut Paul Scherrer de Suisse.

Cette recherche est soutenue par le Département américain de l’énergie. Un soutien supplémentaire a été fourni par la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, le Materials Research Science and Engineering Center for Nanoscale Science de Penn State, financé par la NSF, le Army Research Office, l’Air Force Office of Scientific Research, l’État de Floride et le Initiative EPiQS de la Fondation Gordon et Betty Moore.

Clarence Thomas embauche un employé accusé d'avoir écrit "Je déteste les gens noirs"

Clarence Thomas embauche un employé accusé d’avoir écrit « Je déteste les gens noirs »

SciTechDaily

Comment les organismes vivants produisent-ils des minéraux comme les coquilles ? Les scientifiques dévoilent les secrets de la biominéralisation