Le Quantum Systems Accelerator (QSA) est pionnier dans les études visant à construire et co-concevoir la prochaine génération de dispositifs quantiques programmables. Une équipe interdisciplinaire de scientifiques des institutions QSA, du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l’Université de Californie à Berkeley (UC Berkeley), en collaboration avec le Los Alamos National Laboratory, a mené une série d’expériences avec un nouveau type de couches 2D. métal, trouvant des connexions dans le comportement électronique qui pourraient potentiellement être utiles pour fabriquer des processeurs quantiques supraconducteurs complexes.
La recherche avec ce nouveau dichalcogénure de métal de transition (TMD) s’appuie sur des équipes d’experts du Berkeley Lab qui collaborent et co-conçoivent dans différents domaines tout en tirant parti des capacités et des instruments nationaux de pointe de l’Advanced Light Source and Molecular Foundry. Examen physique B a publié les résultats expérimentaux en décembre 2022.
De nouvelles expériences pour une compréhension plus approfondie de la physique des nouveaux matériaux
La recherche de nouveaux matériaux supraconducteurs 2D peut fournir des indices sur de nombreux défis de fabrication et de matériaux des processeurs quantiques supraconducteurs utilisant actuellement des matériaux conventionnels tels que l’aluminium, le niobium et le silicium.
Les TMD sont des métaux exotiques qui peuvent naturellement être transformés en couches très fines avec une structure cristalline bien définie, idéales pour l’expérimentation et les dispositifs. Ils présentent des propriétés physiques uniques grâce aux interactions de leurs électrons.
Les électrons peuvent être localisés dans quelques atomes interagissant plus fortement les uns avec les autres. Les électrons densément emballés et en interaction étroite peuvent déclencher des propriétés et des comportements uniques tels que la supraconductivité et le magnétisme itinérant. La supraconductivité permet le mouvement d’une charge électrique à travers le métal avec peu ou pas de résistance. Le magnétisme itinérant se produit lorsque les électrons transfèrent le magnétisme d’un atome à un autre au lieu d’être localisés à une position fixe.
Une découverte importante dans la littérature scientifique est que les matériaux sont généralement des supraconducteurs ou des aimants, mais pas les deux. Cependant, la phase de magnétisme itinérant est proche de la transition de supraconductivité. Par conséquent, la détection de fortes propriétés magnétiques dans la structure cristalline d’un TMD constitue un excellent point de départ pour la recherche de nouveaux supraconducteurs. Mais la mesure dans laquelle l’interaction du magnétisme itinérant et de la supraconductivité se retrouve dans les TMD n’a pas été bien comprise.
NiTa4Se8 est une classe émergente de TMD intercalés avec des électrons fortement corrélés qui se déplacent dans des plans bidimensionnels avec une couche ferromagnétique (nickel), renforçant ainsi l’interaction ou la corrélation entre les électrons. Les chercheurs de QSA impliqués dans la série d’expériences ont caractérisé les propriétés de conduction électronique (propriétés de transport) de NiTa4Se8, en observant à la fois le magnétisme itinérant et la supraconductivité.
« Je trouve très inspirant que les lois physiques soient souvent liées à la compréhension des symétries. Ainsi, lorsque j’étudie de nouveaux matériaux présentant des symétries internes uniques, qu’il s’agisse de la configuration de différents atomes ou de leur environnement local ou global, je le sais. entraînera un ensemble différent de propriétés pour le système », a déclaré James Analytis, professeur agrégé à l’UC Berkeley et chercheur universitaire au Berkeley Lab, responsable expérimental de l’article.
Pour étudier les propriétés de la supraconductivité et du magnétisme itinérant, les chercheurs devaient comprendre les symétries internes du matériau. Analytis et l’équipe ont synthétisé les différentes configurations de symétrie dans NiTa4Se8, en manipulant le système d’atomes et d’électrons dans le métal cristallin en couches grâce à divers traitements et techniques chimiques.
La série d’expériences a permis aux chercheurs d’étudier le comportement des électrons dans NiTa4Se8 en les empilant, en les manipulant et en les contrôlant en laboratoire.
Outils et expertise avancés dans les installations nationales du DOE au laboratoire de Berkeley
Pour Sinéad Griffin de la Division des sciences des matériaux et de Molecular Foundry, l’un des co-auteurs de l’article et responsable de la recherche du groupe thématique sur les matériaux QSA, la découverte de nouveaux supraconducteurs est une priorité absolue pour les technologies quantiques supraconductrices de nouvelle génération. Griffin développe des modèles théoriques et des calculs qui prédisent les propriétés des matériaux pour guider la fabrication et la caractérisation en laboratoire.
« Je suis motivé à trouver un nouveau type de physique ou de système que personne n’a vu auparavant, donc l’opportunité de disposer de ce terrain de jeu d’installations et d’instruments au Berkeley Lab tout en étant proche de l’équipe effectuant les expérimentations et les mesures est essentielle. Nous « Nous ne sommes pas limités par ce qui est disponible. Nous sommes davantage limités par notre imagination », a déclaré Griffin.
L’équipe a exploité les capacités de pointe de spectroscopie photoélectronique du Berkeley Lab à l’ALS, qui utilise des photons pour interagir avec les électrons pour une caractérisation plus rapide des matériaux et des surfaces 2D, notamment la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) et la spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie ( EDS ou EDX), ainsi que la diffraction des rayons X sur poudre pour simuler, caractériser et étudier la structure cristalline complexe du NiTa4Se8 aux échelles les plus fines.
Eli Rotenberg, chercheur à l’ALS et au QSA, est fasciné par les matériaux quantiques dotés de propriétés physiques exotiques résultant des interactions de leurs électrons. Expert en spectroscopie photoélectronique, Rotenberg a pris des mesures détaillées du comportement des électrons et de la surface dite de Fermi, un niveau d’énergie important dans la physique de la matière condensée pour la supraconductivité, avec une précision exquise.
« Les cristaux sont comme un verre d’eau, rempli jusqu’à un certain point et vide au-dessus du point où les électrons proches de la surface participent à la conduction électrique. La physique intéressante de ces matériaux cristallins se situe à l’interface entre les états occupés et inoccupés. Les particules peuvent être excitées à partir du occupé du côté inoccupé pour former des ondes mobiles qui transmettent des informations énergétiques », a expliqué Rotenberg.
La co-conception accélère les découvertes fondamentales
La complexité des nouveaux matériaux étudiés pour construire de meilleurs dispositifs quantiques et la variété des mesures permettant de les comprendre nécessitent des instruments et des outils de pointe où chaque technique est spécifique à un système. Les propriétés des matériaux changent souvent, ou des défauts apparaissent à mesure qu’ils sont intégrés dans des dispositifs quantiques,
« Vous posez presque la question inverse lorsque vous demandez comment trouver ce nouveau type de phénomène que personne n’a trouvé ou ce résultat dans ce système ou ce matériau. En utilisant la théorie, je peux essayer de concevoir un matériau à partir des ingrédients clés fondamentaux, » dit Griffin.
NiTa4Se8 n’est probablement pas unique parmi les TMD magnétiques. Par conséquent, l’équipe a conclu que la recherche d’un magnétisme itinérant corrélé et d’une supraconductivité non conventionnelle dans les matériaux 2D pouvait affiner la compréhension des matériaux qui pourraient potentiellement être utilisés pour fabriquer des processeurs quantiques de plus en plus complexes.
Cependant, les chercheurs doivent continuer à mieux comprendre les niveaux fondamentaux de ces types de matériaux 2D. QSA continue d’explorer les solutions à de nombreux défis de fabrication qui aideront à relier les systèmes matériels imparfaits d’aujourd’hui avec ceux capables d’avoir un impact scientifique.
« Avoir une seule équipe avec une vision unique, comme chez QSA, et qui dispose de tous les outils disponibles, accélère le processus depuis la science fondamentale jusqu’aux technologies. Il faut souvent explorer quelles techniques ou capacités de synthèse sont les mieux adaptées à différents matériaux », a conclu Analytis.
Plus d’information:
Nikola Maksimovic et al, Magnétisme itinérant fortement corrélé proche de la supraconductivité dans NiTa4Se8, Examen physique B (2022). DOI : 10.1103/PhysRevB.106.224429