Les physiciens de l’Université Rice ont découvert un matériau quantique à changement de phase – et une méthode pour en trouver davantage – qui pourrait potentiellement être utilisé pour créer une mémoire de type flash capable de stocker des bits d’informations quantiques, ou qubits, même lorsqu’un ordinateur quantique est alimenté. vers le bas.
Des matériaux à changement de phase ont été utilisés dans la mémoire numérique non volatile disponible dans le commerce. Dans les DVD réinscriptibles, par exemple, un laser est utilisé pour chauffer de minuscules morceaux de matériau qui refroidissent pour former des cristaux ou des amas amorphes. Deux phases du matériau, qui ont des propriétés optiques très différentes, sont utilisées pour stocker les uns et les zéros des bits d’information numériques.
Dans une étude en libre accès publié récemment dans Communications naturellesLe physicien Rice Ming Yi et plus de trois douzaines de co-auteurs d’une douzaine d’institutions ont également montré qu’ils pouvaient utiliser la chaleur pour faire basculer un cristal de fer, de germanium et de tellure entre deux phases électroniques. Dans chacun d’eux, le mouvement restreint des électrons produit des états quantiques topologiquement protégés. En fin de compte, le stockage des qubits dans des états topologiquement protégés pourrait potentiellement réduire les erreurs liées à la décohérence qui ont tourmenté l’informatique quantique.
« Cela a été complètement une surprise », a déclaré Yi à propos de cette découverte. « Au départ, nous étions intéressés par ce matériau en raison de ses propriétés magnétiques. Mais ensuite, nous effectuions une mesure et voyions cette phase, puis pour une autre mesure, nous voyions l’autre. Nominalement, c’était le même matériau, mais les résultats étaient très différents. différent. »
Il a fallu plus de deux ans et un travail collaboratif avec des dizaines de collègues pour déchiffrer ce qui se passait dans les expériences. Les chercheurs ont découvert que certains échantillons de cristaux avaient refroidi plus rapidement que d’autres lorsqu’ils étaient chauffés avant les expériences.
Contrairement aux matériaux utilisés dans la plupart des technologies de mémoire à changement de phase, Yi et ses collègues ont découvert que l’alliage fer-germanium-tellure n’avait pas besoin d’être fondu et recristallisé pour changer de phase. Ils ont plutôt découvert que les sites atomiques vides dans le réseau cristallin, appelés postes vacants, étaient disposés selon des motifs différemment ordonnés en fonction de la rapidité avec laquelle le cristal refroidissait. Pour passer d’une phase à l’autre, ils ont montré qu’ils pouvaient simplement réchauffer le cristal et le refroidir pendant une période de temps plus longue ou plus courte.
« Si vous souhaitez modifier l’ordre des lacunes dans un matériau, cela se produit généralement à des températures beaucoup plus basses que celles nécessaires pour tout faire fondre », a déclaré Yi.
Elle a déclaré que peu d’études ont exploré la façon dont les propriétés topologiques des matériaux quantiques changent en réponse aux changements dans l’ordre des postes vacants.
« C’est la conclusion clé », a-t-elle déclaré à propos de l’ordre de vacance commutable du matériel. « L’idée d’utiliser l’ordre des postes vacants pour contrôler la topologie est la chose importante. Cela n’a tout simplement pas été vraiment exploré. Les gens ont généralement regardé les matériaux uniquement d’un point de vue entièrement stœchiométrique, ce qui signifie que tout est occupé par un ensemble fixe de symétries qui conduisent à » Un type de topologie électronique. Les changements dans l’ordre des postes vacants modifient la symétrie du réseau. Ce travail montre comment cela peut changer la topologie électronique. Et il semble probable que l’ordre des postes vacants pourrait également être utilisé pour induire des changements topologiques dans d’autres matériaux. «
Qimiao Si, physicien théoricien de Rice et co-auteur de l’étude, a déclaré : « Je trouve étonnant que mes collègues expérimentateurs puissent organiser un changement de symétrie cristalline à la volée. Cela permet une capacité de commutation complètement inattendue et pourtant pleinement bienvenue pour la théorie comme nous cherchons également à concevoir et à contrôler de nouvelles formes de topologie grâce à la coopération de fortes corrélations et de symétrie de groupe spatial.
Les principaux auteurs de l’étude sont Han Wu et Lei Chen, tous deux de Rice. Les autres co-auteurs de Rice incluent Jianwei Huang, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Chandan Setty, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han et Si. Yi, Dai, Han, Kono et Si sont chacun membres de la Rice Quantum Initiative et du Rice Center for Quantum Materials.
L’étude a été co-écrite par des chercheurs de l’Université de Washington, du Laboratoire national de Los Alamos, de l’Université Kyung Hee de Corée du Sud, de l’Université de Pennsylvanie, de l’Université de Yale, de l’Université de Californie Davis, de l’Université Cornell, de l’Université de Californie à Berkeley, de l’Université de Stanford. Laboratoire national des accélérateurs du Centre des accélérateurs linéaires, Laboratoire national de Brookhaven et Laboratoire national Lawrence Berkeley.
Plus d’information:
Han Wu et al, Commutation électronique non volatile réversible dans un ferromagnétique de Van der Waals à température proche de la pièce, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-46862-z