Des chercheurs montrent une nouvelle façon d’induire des défauts utiles en utilisant des propriétés de matériaux invisibles

Une grande partie de la technologie électronique et informatique moderne est basée sur une idée : ajouter des impuretés chimiques, ou des défauts, aux semi-conducteurs pour modifier leur capacité à conduire l’électricité. Ces matériaux modifiés sont ensuite combinés de différentes manières pour produire les dispositifs qui constituent la base de l’informatique numérique, les transistors et les diodes. En effet, certaines technologies de l’information quantique reposent sur un principe similaire : l’ajout de défauts et d’atomes spécifiques dans les matériaux peut produire des qubits, les unités de stockage d’informations fondamentales de l’informatique quantique.

Gaurav Bahl, professeur de sciences mécaniques et d’ingénierie à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign et membre du Centre des sciences et technologies de l’information quantique de l’Illinois, explore comment des propriétés non linéaires spéciales dans les matériaux d’ingénierie peuvent atteindre des fonctionnalités similaires sans avoir besoin d’ajouter intentionnellement défauts.

Comme le rapporte son groupe de recherche dans son article « Self-Induced Dirac Boundary State and Digitization in a Nonlinear Resonator Chain », publié dans Lettres d’examen physiqueun métamatériau peut modifier sa fonctionnalité de lui-même en fonction du niveau de puissance de l’entrée.

Un métamatériau est un système artificiel qui reproduit le comportement de matériaux réels constitués d’atomes naturels. Les chercheurs ont construit un tel matériau dont le comportement est analogue à un type spécial de semi-conducteur appelé matériau de Dirac. Il s’agissait d’une chaîne de résonateurs magnéto-mécaniques, où les interactions magnétiques agissaient comme des liaisons entre les atomes dans un cristal unidimensionnel. Lorsque l’un de ces « atomes » était excité mécaniquement, c’est-à-dire qu’il était amené à se déplacer périodiquement, l’excitation se propageait au reste du cristal, tout comme les électrons injectés dans un semi-conducteur.

Après avoir démontré qu’un métamatériau de Dirac complètement uniforme ne laisse pas passer les excitations mécaniques (tout comme il est interdit aux électrons de traverser des semi-conducteurs isolants), les chercheurs ont introduit un ensemble spécifique de non-linéarités dans le système. Cette nouvelle propriété ajoutait de la sensibilité au niveau de l’excitation mécanique et pouvait modifier subtilement l’énergie de résonance des atomes magnéto-mécaniques. Avec le bon choix de non-linéarité, les chercheurs ont observé une transition nette du comportement isolant au comportement conducteur, en fonction de la force de l’entrée fournie.

Ce comportement intrigant résultait de l’apparition spontanée d’une nouvelle frontière où la masse effective de l’excitation mécanique, propriété interne invisible des matériaux de Dirac, subissait un changement de signe en fonction du niveau de l’excitation. Les chercheurs ont été surpris de constater que cette limite s’accompagnait d’un nouvel état qui « apparaissait » à la limite et permettait à l’énergie d’entrée de se transmettre à travers le matériau. Cet effet était très similaire à la façon dont un atome défectueux agit dans un semi-conducteur

« En photonique et en électronique », a déclaré Bahl, « des propriétés non linéaires comme celle-ci pourraient être conçues pour former la base de nouveaux systèmes informatiques qui ne reposent pas sur l’approche conventionnelle des semi-conducteurs ».

Chaque fois que nous ajoutons des états de défaut et des atomes spéciaux, nous interrompons l’uniformité du matériau, ce qui peut entraîner d’autres effets indésirables. Cependant, les matériaux dans lesquels un état de défaut peut être formé à la demande grâce à une propriété invisible, comme la masse de Dirac utilisée dans ce travail, ont des implications profondes pour les systèmes d’information quantiques où ils promettent des qubits qui peuvent être produits dynamiquement là où ils sont nécessaires. Le prochain défi consiste à trouver ou à synthétiser de vrais matériaux à base d’atomes naturels capables de reproduire cet effet.

Les expériences ont été réalisées par l’étudiant diplômé en physique Gengming Liu en collaboration avec le Dr Jiho Noh et l’étudiant diplômé MechSE Jianing Zhao.