L’équipe trouve des moyens d’exploiter la puissance quantique des défauts atomiques

Les parties les plus intéressantes de la nature sont souvent les imperfections. C’est particulièrement vrai en physique quantique, le monde au niveau atomique où de minuscules défauts peuvent faire une grande différence dans la façon dont les particules se comportent et interagissent.

Comme le rapporte un article de Communication NatureChong Zu, professeur adjoint de physique en arts et sciences à l’Université de Washington à Saint-Louis, et son équipe trouvent de nouvelles façons d’exploiter la puissance quantique des défauts dans des cristaux par ailleurs sans défaut.

Le travail est soutenu en partie par le Center for Quantum Leaps, une initiative phare du plan stratégique Arts & Sciences qui vise à appliquer les connaissances et les technologies quantiques à la physique, aux sciences biomédicales et de la vie, à la découverte de médicaments et à d’autres domaines de grande envergure.

Le laboratoire de Zu étudie les défauts atomiques du nitrure de bore, un matériau qui forme des feuilles si fines qu’il peut être considéré comme bidimensionnel. Le nitrure de bore est généralement immuable et uniforme mais, de temps en temps, un atome de bore manquant laissera un petit espace. Ces lacunes peuvent se produire naturellement, mais Zu et son équipe, y compris l’étudiant diplômé Ruotian (Reginald) Gong, ont accéléré le processus en bombardant des flocons microscopiques du matériau avec des atomes d’hélium, de petites balles atomiques qui assomment au hasard des atomes de bore.

Les lacunes qui en résultent ont un potentiel quantique important. Les vides se remplissent naturellement d’électrons très sensibles à leur environnement. Par exemple, de minuscules changements dans les champs magnétiques et la température peuvent modifier le spin et l’état énergétique des électrons. Cette sensibilité les rend potentiellement utiles comme capteurs quantiques. Dans la nouvelle étude, Zu, Gong et leurs collègues ont montré pour la première fois que les électrons réagissent également aux changements de champs électriques, élargissant ainsi la gamme d’applications potentielles.

Étant donné que ces capteurs particuliers sont piégés dans une matrice mince et stable de nitrure de bore, ils pourraient théoriquement être appliqués à une grande variété de substances, du géologique au biologique. D’autres types de capteurs sont généralement créés dans un environnement sous vide qui doit être refroidi à des températures proches du zéro absolu.

« Vous ne pourriez jamais mettre quelque chose d’aussi froid à côté d’une cellule vivante », a déclaré Zu. Les capteurs en nitrure de bore sont cependant à température ambiante.

Les capteurs de nitrure de bore pourraient également être utilisés dans des expériences de simulation de base pour étudier les interactions quantiques des particules, a déclaré Zu. Les physiciens utilisent souvent des programmes informatiques pour prédire comment les particules pourraient interagir, a-t-il dit, mais les systèmes sont si complexes que même les ordinateurs les plus puissants ne peuvent fonctionner qu’à une vitesse aussi élevée.

« Au lieu d’essayer de construire les systèmes sur un ordinateur, vous pouvez simplement créer le système exact que vous souhaitez étudier, puis examiner les interactions », a-t-il déclaré.