Une classe de matériaux appelés pérovskites, qui possèdent des liaisons électroniques spéciales avec de nombreuses applications, pourraient être utiles pour la détection quantique.
De nombreux scientifiques étudient différents matériaux en vue de leur utilisation potentielle dans la technologie quantique. Une caractéristique importante des atomes de ces matériaux est appelée spin. Les scientifiques souhaitent contrôler les spins atomiques pour développer de nouveaux types de matériaux, appelés spintronique. Ils pourraient être utilisés dans des technologies avancées telles que les dispositifs de mémoire et les capteurs quantiques pour des mesures ultra précises.
Dans un percée récentedes chercheurs du Laboratoire national Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) et de la Northern Illinois University ont découvert qu’ils pouvaient utiliser la lumière pour détecter l’état de spin dans une classe de matériaux appelés pérovskites (en particulier dans cette recherche, l’iodure de plomb méthylammonium, ou MAPbI3). Les pérovskites ont de nombreuses utilisations potentielles, des panneaux solaires à la technologie quantique.
L’ouvrage est publié dans la revue Communications naturelles.
Pour comprendre le spin, considérons les électrons en orbite autour du noyau atomique. Lorsque les atomes sont proches les uns des autres, ils peuvent partager certains de leurs électrons externes, ce qui crée un lien entre eux. Chaque liaison contient deux électrons « appariés », ce qui signifie qu’ils partagent une orbitale, la région dans laquelle ils se déplacent.
Maintenant, chacun de ces électrons appariés a l’un des deux états de spin possibles : rotation ascendante ou décélération. Si un électron est en rotation ascendante, l’autre est en rotation ralentie. Puisque nous ne pouvons pas savoir exactement quel électron a quel spin sans les regarder, nous disons qu’ils existent dans une superposition quantique, un état dans lequel ils tournent à la fois vers le haut et vers le bas jusqu’à ce qu’ils soient observés.
« En modulant la concentration du néodyme en fonction de la concentration des excitons, nous pouvons finir par utiliser le néodyme comme une sorte de sonde pour les spins dans l’exciton », explique Saw Wai Hla, physicien d’Argonne et co-auteur de l’étude. .
C’est le même concept utilisé en informatique quantique. Un bit quantique, ou qubit, peut représenter à la fois zéro et un, contrairement à un bit classique qui n’est que l’un ou l’autre. Cela rend les ordinateurs quantiques beaucoup plus puissants à certains égards que les ordinateurs classiques.
L’identification et le contrôle des spins électroniques sont essentiels à la création de dispositifs quantiques comme les ordinateurs et les capteurs.
Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé la lumière pour exciter l’un des deux électrons appariés du matériau pérovskite. Cela a amené l’électron à se déplacer vers un niveau d’énergie supérieur, laissant un « trou » dans le niveau d’énergie inférieur. Cet appariement d’un électron excité et d’un trou est appelé un exciton.
Les excitons se forment lorsque l’énergie de la lumière est convertie en énergie potentielle électrique. Normalement, les excitons ne durent pas longtemps car l’électron excité finit par retomber dans le trou, un processus appelé recombinaison, qui libère de la lumière. Dans MAPbI3, ces excitons ne durent généralement que quelques dizaines de nanosecondes.
Le groupe de recherche dirigé par le professeur Tao Xu de l’Université du Nord de l’Illinois a découvert un moyen de prolonger la durée de vie de l’exciton de plus de 10 fois. Pour ce faire, ils ont ajouté au matériau un métal de terre rare appelé néodyme. Le néodyme possède des électrons non appariés dans son orbitale externe, ce qui en fait un bon candidat pour interagir avec les électrons de l’exciton.
Un électron promu à une orbitale supérieure dans l’exciton finit également par occuper partiellement une orbitale dans un atome de néodyme. Cela crée un état intriqué de spins avec les spins localisés dans l’atome de néodyme.
L’électron intriqué dans le néodyme est toujours connecté à son électron partenaire dans la pérovskite. Même s’ils sont séparés, ils peuvent toujours « communiquer » entre eux, ce qui donne aux scientifiques des informations utiles sur le matériau et pourrait être utilisé pour la détection quantique.
« Le point principal est que nous pouvons communiquer avec les électrons individuels d’un exciton grâce à leurs interactions avec les atomes de néodyme. C’est passionnant car, normalement, ces électrons se désintègrent et libèrent de la lumière », a déclaré Benjamin Diroll, un autre co-auteur d’Argonne Nanoscientist. .
Le néodyme fonctionne comme un capteur quantique sous un champ magnétique relativement faible, selon Xu. Mais si le champ magnétique est trop fort, les spins du néodyme se bloquent et la connexion avec l’exciton se rompt.
« Ce qui est intéressant, c’est qu’en ajustant la concentration de néodyme, nous pouvons détecter les spins des excitons. Cela pourrait potentiellement nous permettre d’enchevêtrer jusqu’à 10 spins d’électrons, ce qui constituerait un matériau qubit très intéressant pour l’informatique quantique », a déclaré Xu.
Plus d’informations :
Xudong Xiao et al, Interaction exciton-spin de type Kondo induite par la lumière dans une pérovskite hybride dopée au néodyme (II), Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-50196-1