Nouveaux matériaux pour les technologies quantiques


Nouveaux matériaux pour les technologies quantiques

modifications de la structure de la bande électronique du manganèse-silicium entraînent des modifications des propriétés magnétiques de l’échantillon (cube plus léger). Ceux-ci peuvent être mesurés avec un capteur de couple en porte-à-faux très sensible (marron). Source : Matthias Dodenhöft / TUM

Alors que l’électronique conventionnelle repose sur le transport d’électrons, les composants qui ne transmettent que des informations de spin peuvent être beaucoup plus économes en énergie. Des physiciens de l’Université technique de Munich (TUM) et de l’Institut Max Planck pour la recherche sur l’état solide à Stuttgart ont maintenant fait des progrès importants dans le développement de pour de tels composants. Ces matériaux pourraient également être la clé d’ordinateurs quantiques moins sensibles aux interférences.

Les espoirs étaient grands lorsque les premiers représentants d’une nouvelle classe de matériaux – les isolants topologiques – ont été découverts il y a une quinzaine d’années. Les chercheurs ont prédit que la structure électronique unique de ces matériaux conduirait à des propriétés spéciales à leur surface, telles qu’un transfert d’informations écoénergétique, qui pourraient faciliter le développement de nouveaux composants électroniques dans diverses applications.

Mais jusqu’à présent, ces possibilités ne pouvaient pas être facilement modifiées et contrôlées dans les applications. Malgré les meilleurs efforts, l’exploitation technologique a été longue à venir. Cela pourrait bientôt changer grâce à la découverte d’une équipe dirigée par Christian Pfleiderer, professeur de topologie des systèmes corrélés à l’Université technique de Munich.

Recherche d’intersections

Dans les atomes, les électrons occupent les différentes orbitales atomiques jusqu’à une énergie maximale. Chaque orbitale correspond à un niveau d’énergie fixe. Dans les solides, les orbitales atomiques se chevauchent et les niveaux d’énergie dépendent de la direction du mouvement et de la longueur d’ des électrons. Les niveaux d’énergie pour différentes directions de mouvement et longueurs d’onde varient dans une plage caractéristique appelée bande d’énergie.

Alors que les niveaux d’énergie des orbitales d’un atome augmentent dans un certain ordre, dans les solides, l’ordre des niveaux d’énergie, qui proviennent de différentes orbitales atomiques, peut également être inversé en fonction de la direction du mouvement et de la longueur d’onde des électrons.

L’alignement des niveaux d’énergie initialement attribués aux différentes orbitales peut donc se chevaucher pour certaines directions de mouvement et longueurs d’onde. En d’autres termes, les énergies des différentes orbitales sont identiques là où elles se croisent. Les matériaux dans lesquels ces croisements se produisent au niveau des électrons responsables de la conductivité sont particulièrement intéressants. Les physiciens appellent ce niveau l’énergie de Fermi.

La découverte de matériaux topologiques

Les croisements entre les bandes d’énergie de matériaux réels sont connus depuis les années 1930. Sauf dans de très rares cas, cependant, ils s’annulent en raison de la répulsion mutuelle des électrons. Cet effet conduit à des lacunes dans les bandes d’énergie exactement aux intersections attendues. Comme tous les exemples connus de croisements dans la structure des bandes se produisaient loin de l’énergie de Fermi, ils étaient considérés comme de simples curiosités insignifiantes.

Tout cela a changé avec la découverte des isolants topologiques, dans lesquels la structure électronique de la surface du matériau crée des intersections exactement à l’énergie de Fermi. D’autres observations ont montré que ces croisements sont particulièrement stables en raison du caractère unique de la fonction d’onde de la mécanique quantique des électrons, qui empêche l’annulation par répulsion électronique.

Transférer des informations sans perte d’énergie

Le fait que les croisements des surfaces topologiques des isolants soient toujours au niveau de Fermi conduit à des propriétés particulières de conductivité électrique, qui permettent de transférer des charges électriques et des informations de spin sans perte d’énergie. Cependant, il est vite devenu évident que les isolants topologiques réagissent de manière très sensible à la contamination des matériaux, ce qui court-circuite efficacement les propriétés de surface et empêche les implémentations technologiques utiles.

Cependant, la découverte d’isolants topologiques a déclenché une recherche intense et systématique qui a finalement permis de découvrir de nombreux matériaux en vrac avec des croisements topologiques entre les bandes d’énergie au sein des matériaux. Les exemples incluent les métaux de Weyl, les métaux de Dirac et les isolants de Chern. Les scientifiques s’attendent à ce que les intersections au sein de ces matériaux conduisent à des propriétés spéciales sur la surface qui sont accessibles à une utilisation technologique.

Malheureusement, les chercheurs n’ont pas pu prédire si les intersections topologiques dans l’un des matériaux connus seraient exactement au niveau de Fermi. Cela était dû au fait que les croisements précédemment connus ne se produisaient qu’en des points discrets ou le long de certaines lignes, ils ne coïncidaient donc avec le niveau de Fermi que par hasard.

Mais le dernier est crucial pour la reprise technique. De plus, il semblait totalement inaccessible d’activer et de désactiver les points de croisement dans les applications avec des moyens simples.

Commutable par un champ magnétique

Les scientifiques autour du Dr. Marc Wilde dans l’équipe du Prof. Pfleiderer a maintenant montré qu’il existe des matériaux avec des niveaux qui traversent les ceintures par paires. Ceux-ci sont appelés niveaux nodaux et facilitent la localisation des intersections au niveau de Fermi. Ils sont toujours exactement là où les bords de la bande de conduction passent par un tel plan. L’un des premiers exemples est celui des monocristaux de manganèse-silicium.

En collaboration avec le Dr. Andreas Schnyder du Max Planck Institute for Solid State Research à Stuttgart a expliqué avec succès la base théorique de ce comportement à l’équipe de recherche.

« Une exigence essentielle est l’existence de symétries dites ‘non-symmorphiques’. Dans le cas du manganèse-silicium, il s’agit d’une torsion dans la disposition des atomes », explique Andreas Schnyder. « Mais ce n’est pas tout, précise Marc Wilde, nous avons aussi pu montrer que l’aimantation dans de tels matériaux peut annuler les symétries cruciales et donc les plans nodaux. La direction de l’aimantation est pratiquement comme une paire de ciseaux que nous pouvons utiliser pour couper à travers la bande de Möbius. »

S’appuyant sur ces connaissances, Andreas Schnyder et ses collègues de Stuttgart ont effectué une analyse complète de toutes les classes de structure cristalline connues afin d’identifier celles ayant les mêmes propriétés. C’est désormais la base de la future recherche ciblée de matériaux comparables.

Des propriétés exceptionnelles, des avantages considérables

« À l’aide de l’exemple du manganèse-silicium et des principes théoriques nouvellement développés, nous pouvons désormais sélectionner et optimiser ensemble les matériaux », explique Christian Pfleiderer. « Ces nouveaux matériaux pourraient non seulement permettre des appareils électroniques beaucoup plus économes en énergie, mais aussi des types d’applications complètement nouveaux dans lesquels nous utilisons des champs magnétiques externes pour contrôler les effets de la magnétisation sur les niveaux des nœuds. »

« De cette façon », espère Pfleiderer, « ces matériaux pourraient même permettre l’informatique quantique topologique à l’avenir. En raison des propriétés des points d’intersection, les QBits correspondants seraient nettement moins sensibles aux interférences. » Les ordinateurs quantiques construits sur cette base pourraient même se débarrasser de la nécessité de fonctionner à des températures proches du zéro absolu.

L’étude a été publiée dans la nature.


Mesure directe des propriétés électriques dans les isolants topologiques ultra-minces


Plus d’information:
Marc A. Wilde et al., Plans nodaux topologiques renforcés par la symétrie à la surface de Fermi d’un aimant chiral, la nature (2021). DOI : 10.1038 / s41586-021-03543-x

Fourni par l’Université technique de Munich

Devis: New Materials for Quantum Technologies (2021, 22 décembre), consulté le 22 décembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-12-materials-quantum-technologies.html

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