6Te₁₀, représenté ici en violet (tellure), bleu (bismuth) et vert (manganèse), peut agir comme un isolant topologique magnétique, conduisant le courant électrique (bleu) le long d'une "autoroute quantique" sans perte d'énergie. L'étude a révélé qu'une action concertée de différents défauts matériels est la clé des propriétés électroniques quantiques. Crédit : Université de Chicago »>

6Te₁₀, représenté ici en violet (tellure), bleu (bismuth) et vert (manganèse), peut agir comme un isolant topologique magnétique, conduisant le courant électrique (bleu) le long d'une "autoroute quantique" sans perte d'énergie. L'étude a révélé qu'une action concertée de différents défauts matériels est la clé des propriétés électroniques quantiques. Crédit : Université de Chicago » width= »800″ height= »494″>

Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago ont découvert un nouveau matériau, le MnBi₆Te₁₀, qui peut être utilisé pour créer des autoroutes quantiques le long desquelles les électrons peuvent se déplacer. Ces artères d'électrons sont potentiellement utiles pour connecter les composants internes d'ordinateurs quantiques puissants et économes en énergie.

Quand électrons traversent les fils métalliques traditionnels, ils perdent une petite quantité d'énergie - sous forme de chaleur - et certaines de leurs propriétés intrinsèques changent. Par conséquent, ces fils ne peuvent pas être utilisés pour connecter des parties d'ordinateurs quantiques qui codent des données dans les propriétés quantiques des électrons.

Dans le nouveau travail, publié dans la revue Nano Lettres, les chercheurs ont détaillé comment MnBi₆Te₁₀ agit comme un « isolant topologique magnétique », faisant passer les électrons autour de son périmètre tout en conservant l'énergie et les propriétés quantiques des électrons.

"Nous avons découvert un matériau qui a le potentiel d'ouvrir l'autoroute quantique pour que les électrons circulent sans dissipation", a déclaré Asst. Prof. Shuolong Yang, qui a dirigé la recherche. "Il s'agit d'une étape importante vers l'ingénierie des ordinateurs quantiques topologiques."

Connexions quantiques

Les ordinateurs quantiques stockent les données en qubits, une unité d'information de base qui présente des propriétés quantiques, y compris la superposition. Dans le même temps, les chercheurs travaillent à développer des dispositifs qui connectent ces qubits – parfois sous la forme d'électrons uniques – ils ont également besoin de nouveaux matériaux capables de transmettre les informations stockées dans ces qubits.

Les physiciens théoriciens ont proposé que les électrons puissent être transmis entre des qubits topologiques en forçant les électrons à circuler dans un canal de conduction unidimensionnel au bord d'un matériau. Les tentatives précédentes pour ce faire nécessitaient des températures extrêmement basses, ce qui n'était pas possible pour la plupart des applications.

"La raison pour laquelle nous avons décidé d'examiner ce matériau particulier est que nous pensions qu'il fonctionnerait à une température beaucoup plus réaliste", a déclaré Yang.

Le groupe de Yang a commencé à étudier MnBi₆Te₁₀, utilisant du manganèse pour introduire une aimantation dans le semi-conducteur formé de bismuth et de tellure. Alors que les électrons circulent au hasard à l'intérieur de la plupart des semi-conducteurs, le champ magnétique à MnBi₆Te₁₀ force tous les électrons dans une ligne à file unique à l'extérieur du matériau.

Les chercheurs PME ont obtenu MnBi₆Te₁₀ qui avait été fabriqué par des collaborateurs du 2D Crystal Consortium de l'Université d'État de Pennsylvanie, dirigé par Zhiqiang Mao. Ensuite, l'équipe a utilisé une combinaison de deux approches—spectroscopie de photoémission à résolution angulaire ainsi que La microscopie électronique à transmission (TEM) - pour étudier exactement comment les électrons dans MnBi₆Te₁₀ se comportait et comment le mouvement des électrons variait avec les états magnétiques. Les expériences TEM ont été réalisées en collaboration avec le laboratoire de l'Université d'État de Pennsylvanie de Nasim Alem.

Défauts recherchés

Quand ils sondaient les propriétés du MnBi₆Te₁₀, une chose a d'abord déconcerté l'équipe de recherche : certaines pièces du matériau semblaient bien fonctionner comme isolants topologiques magnétiques, tandis que d'autres non.

"Certains d'entre eux avaient les propriétés électroniques souhaitées et d'autres pas, et la chose intéressante était qu'il était très difficile de faire la différence dans leurs structures", a déclaré Yang. "Nous avons vu la même chose lorsque nous avons fait des mesures structurelles telles que la diffraction des rayons X, donc c'était un peu un mystère."

Grâce à leurs expériences TEM, cependant, ils ont révélé que tous les morceaux de MnBi₆Te₁₀ qui fonctionnait avait quelque chose en commun : des défauts sous forme de manque de manganèse disséminé dans tout le matériau. D'autres expériences ont montré qu'en effet, ces défauts étaient nécessaires pour conduire l'état magnétique et permettre aux électrons de circuler.

"Une valeur très élevée de ce travail est que, pour la première fois, nous avons compris comment ajuster ces défauts pour activer les propriétés quantiques", a déclaré Yang.

Les chercheurs étudient maintenant de nouvelles méthodes de culture de MnBi₆Te₁₀ cristaux dans le laboratoire, ainsi que sonder ce qui se passe avec des versions ultra-minces et bidimensionnelles du matériau.