Une équipe internationale de scientifiques collaborant au sein du pôle d’excellence Würzburg-Dresden ct.qmat a réalisé une percée dans la recherche quantique : la première détection d’excitons (quasiparticules électriquement neutres) dans un isolant topologique.
Cette découverte ouvre la voie à une nouvelle génération de puces informatiques et de technologies quantiques pilotées par la lumière. Cela a été rendu possible grâce à une conception intelligente des matériaux à Würzburg, le berceau des isolateurs topologiques. Les résultats ont été publiés dans la revue Communication Nature.
Nouvelle boîte à outils pour la physique du solide
Dans leur recherche de nouveaux matériaux pour les futures technologies quantiques, un domaine sur lequel se concentrent les scientifiques du cluster d’excellence ct.qmat – Complexité et topologie de la matière quantique – des deux universités de Würzburg et de Dresde est celui des isolants topologiques, qui permettent le sans perte conduction du courant électrique et stockage robuste des informations. La première réalisation expérimentale de cette classe de matériaux a eu lieu à Würzburg en 2007, provoquant un boom mondial de la recherche en physique du solide qui se poursuit à ce jour.
Les concepts antérieurs d’utilisation d’isolateurs topologiques sont basés sur l’application de tensions électriques afin de contrôler les courants – une approche adoptée à partir de puces informatiques conventionnelles. Cependant, si les propriétés des matériaux exotiques sont basées sur des particules électriquement neutres (qui ne sont chargées ni positivement ni négativement), une tension électrique ne fonctionne plus. De tels phénomènes quantiques nécessitent donc d’autres outils pour être générés, par exemple la lumière.
L’optique et l’électronique sont liées par un phénomène quantique
Une équipe de recherche internationale dirigée par le professeur Ralph Claessen, physicien quantique de Würzburg et co-porte-parole de ct.qmat, vient de faire une découverte cruciale. « Pour la première fois, nous avons pu générer et détecter expérimentalement des quasi-particules appelées excitons dans un isolant topologique. Nous avons ainsi créé une nouvelle boîte à outils pour la physique du solide qui peut être utilisée pour contrôler optiquement les électrons », déclare Claessen. . « Ce principe pourrait devenir la base d’un nouveau type de composants électroniques. »
Crédit : Université de Würzburg
Les excitons sont des quasi-particules électroniques. Bien qu’ils semblent se comporter comme des particules indépendantes, ils représentent en fait un état électronique excité qui ne peut être généré que dans certains types de matière quantique. « Nous avons créé des excitons en appliquant une courte impulsion lumineuse à un film mince constitué d’une seule couche d’atomes », explique Claessen. Ce qui est inhabituel à ce sujet, dit-il, c’est que les excitons étaient activés dans un isolant topologique, ce qui n’était pas possible auparavant. « Cela a ouvert une toute nouvelle voie de recherche pour les isolants topologiques », ajoute Claessen.
Depuis une dizaine d’années, les excitons ont été étudiés dans d’autres semi-conducteurs bidimensionnels et considérés comme des supports d’information pour les composants pilotés par la lumière. « Pour la première fois, nous avons réussi à exciter optiquement des excitons dans un isolant topologique. L’interaction entre la lumière et les excitons signifie que nous pouvons nous attendre à de nouveaux phénomènes dans de tels matériaux. Ce principe pourrait être utilisé, par exemple, pour générer des qubits », explique Claessen.
Les qubits sont des unités de calcul pour les puces quantiques. Ils sont de loin supérieurs aux bits traditionnels et permettent de résoudre des tâches en quelques minutes pour lesquelles les superordinateurs conventionnels prendraient littéralement des années.i L’utilisation de la lumière au lieu de la tension électrique permet aux puces quantiques d’avoir des vitesses de traitement beaucoup plus rapides. Les dernières découvertes ouvrent donc la voie aux futures technologies quantiques et à une nouvelle génération de dispositifs pilotés par la lumière en microélectronique.
Expertise mondiale de Würzburg
Le bon matériau de départ est crucial, dans ce cas le bismuthène. « C’est le grand frère du graphène, un matériau miracle », déclare Claessen, qui a conçu pour la première fois l’isolant topologique en laboratoire il y a cinq ans. « Nous sommes les leaders mondiaux dans ce domaine », ajoute-t-il.
« En raison de la conception sophistiquée de nos matériaux, les atomes de la couche unique de bismuthène sont disposés en nid d’abeille, tout comme le graphène. La différence est que les atomes lourds du bismuthène en font un isolant topologique, ce qui signifie qu’il peut conduire l’électricité le long du bord sans perte. – même à température ambiante. Cela ne peut pas être fait par le graphène.
Énorme potentiel
Maintenant que l’équipe de recherche a généré pour la première fois des excitons dans un isolant topologique, l’attention se tourne vers les quasiparticules elles-mêmes.
Les scientifiques du ct.qmat étudient si les propriétés topologiques du bismuthène sont transférées aux excitons. Prouver cela scientifiquement est la prochaine étape que les chercheurs ont en vue. Cela pourrait même ouvrir la voie à la construction de qubits topologiques, considérés comme particulièrement robustes par rapport à leurs homologues non topologiques.
Plus d’information:
Marcin Syperek et al, Observation des excitons à température ambiante dans un isolant topologique atomiquement mince, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-33822-8