Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’Université de Chicago ont découvert un nouveau matériau, MnBi6Te10, qui peut être utilisé pour créer des autoroutes quantiques le long desquelles les électrons peuvent se déplacer. Ces artères d’électrons sont potentiellement utiles pour connecter les composants internes d’ordinateurs quantiques puissants et économes en énergie.
Lorsque les électrons se déplacent à travers des fils métalliques traditionnels, ils perdent une petite quantité d’énergie – sous forme de chaleur – et certaines de leurs propriétés intrinsèques changent. Par conséquent, ces fils ne peuvent pas être utilisés pour connecter des parties d’ordinateurs quantiques qui codent des données dans les propriétés quantiques des électrons.
Dans le nouveau travail, publié dans la revue Nano-lettresles chercheurs ont détaillé comment MnBi6Te10 agit comme un « isolant topologique magnétique », faisant passer les électrons autour de son périmètre tout en conservant l’énergie et les propriétés quantiques des électrons.
« Nous avons découvert un matériau qui a le potentiel d’ouvrir l’autoroute quantique pour que les électrons circulent sans dissipation », a déclaré Asst. Prof. Shuolong Yang, qui a dirigé la recherche. « Il s’agit d’une étape importante vers l’ingénierie des ordinateurs quantiques topologiques. »
Connexions quantiques
Les ordinateurs quantiques stockent les données en qubits, une unité d’information de base qui présente des propriétés quantiques, y compris la superposition. Dans le même temps, les chercheurs travaillent à développer des dispositifs qui connectent ces qubits – parfois sous la forme d’électrons uniques – ils ont également besoin de nouveaux matériaux capables de transmettre les informations stockées dans ces qubits.
Les physiciens théoriciens ont proposé que les électrons puissent être transmis entre des qubits topologiques en forçant les électrons à circuler dans un canal de conduction unidimensionnel au bord d’un matériau. Les tentatives précédentes pour ce faire nécessitaient des températures extrêmement basses, ce qui n’était pas possible pour la plupart des applications.
« La raison pour laquelle nous avons décidé d’examiner ce matériau particulier est que nous pensions qu’il fonctionnerait à une température beaucoup plus réaliste », a déclaré Yang.
Le groupe de Yang a commencé à étudier MnBi6Te10, en utilisant du manganèse pour introduire une magnétisation dans le semi-conducteur formé par le bismuth et le tellure. Alors que les électrons circulent de manière aléatoire à l’intérieur de la plupart des semi-conducteurs, le champ magnétique dans MnBi6Te10 force tous les électrons dans une ligne à file unique à l’extérieur du matériau.
Les chercheurs du PME ont obtenu du MnBi6Te10 qui avait été fabriqué par des collaborateurs du 2D Crystal Consortium de l’Université d’État de Pennsylvanie, dirigé par Zhiqiang Mao. Ensuite, l’équipe a utilisé une combinaison de deux approches – la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire et la microscopie électronique à transmission (TEM) – pour étudier exactement le comportement des électrons dans MnBi6Te10 et la variation du mouvement des électrons avec les états magnétiques. Les expériences TEM ont été réalisées en collaboration avec le laboratoire de l’Université d’État de Pennsylvanie de Nasim Alem.
Défauts recherchés
Lorsqu’ils ont sondé les propriétés de MnBi6Te10, une chose a d’abord déconcerté l’équipe de recherche : certaines pièces du matériau semblaient bien fonctionner comme isolants topologiques magnétiques, tandis que d’autres non.
« Certains d’entre eux avaient les propriétés électroniques souhaitées et d’autres non, et la chose intéressante était qu’il était très difficile de faire la différence dans leurs structures », a déclaré Yang. « Nous avons vu la même chose lorsque nous avons fait des mesures structurelles telles que la diffraction des rayons X, donc c’était un peu un mystère. »
Grâce à leurs expériences TEM, cependant, ils ont révélé que tous les morceaux de MnBi6Te10 qui fonctionnaient avaient quelque chose en commun : des défauts sous la forme de manganèse manquant dispersés dans tout le matériau. D’autres expériences ont montré qu’en effet, ces défauts étaient nécessaires pour conduire l’état magnétique et permettre aux électrons de circuler.
« Une valeur très élevée de ce travail est que, pour la première fois, nous avons compris comment ajuster ces défauts pour activer les propriétés quantiques », a déclaré Yang.
Les chercheurs étudient actuellement de nouvelles méthodes de croissance des cristaux de MnBi6Te10 en laboratoire, ainsi que sonder ce qui se passe avec des versions ultra-minces et bidimensionnelles du matériau.
Plus d’information:
Chenhui Yan et al, ferromagnétisme délicat dans MnBi6Te10, Nano-lettres (2022). DOI : 10.1021/acs.nanolett.2c02500