Rue quantique à sens unique dans les nanofils isolants topologiques


Rue quantique à sens unique dans les nanofils isolants topologiques

L’application d’un champ magnétique fait circuler plus facilement le courant dans un le long du nanofil que dans l’autre sens. Source : Université de Bâle, Département de physique

Des fils très fins fabriqués à partir d’un isolant topologique pourraient permettre des qubits très stables, éléments constitutifs des futurs ordinateurs quantiques. Les scientifiques voient une nouvelle découverte dans les dispositifs d’isolation topologique comme une étape importante vers la réalisation du potentiel de la technologie.

Un groupe international de scientifiques a montré que des fils plus de 100 fois plus fins qu’un cheveu humain peuvent agir comme une voie à sens unique pour les électrons s’ils sont constitués d’un matériau spécial appelé isolant topologique.

Cette découverte ouvre la voie à de nouvelles applications technologiques de dispositifs fabriqués à partir d’ topologiques et marque une étape importante vers les qubits dits topologiques, qui devraient pouvoir coder de manière robuste des informations pour un ordinateur quantique.

Pour arriver à ce résultat, les groupes du Professeur Dr. Yelena Klinovaja et le professeur Dr. Daniel Loss de l’Université de Bâle a travaillé en étroite collaboration avec des physiciens expérimentaux de l’Université de Cologne dans le groupe du professeur Dr. Yoichi Ando ensemble. Leur étude vient d’être publiée dans nanotechnologie de la nature.

Les isolants topologiques sont des matériaux dans lesquels une combinaison de mécanique quantique et du concept mathématique de crée des surfaces conductrices et des intérieurs isolants. Les isolants topologiques sont des candidats prometteurs pour les technologies futures et comme plateformes potentielles pour l’informatique quantique.

Les chercheurs ont pu montrer que dans les bonnes circonstances, les courants électriques peuvent circuler plus facilement dans un sens que dans l’autre, un processus connu sous le nom de rectification. La rectification a une large gamme d’applications et constitue la base de la plupart des technologies sans fil.

Les redresseurs, que l’on trouve par exemple dans les smartphones, sont désormais constitués de diodes semi-conductrices. Cependant, l’effet de rectification de courant découvert dans les nanofils isolants topologiques résulte de la mécanique quantique et est extrêmement contrôlable.

Normalement, les effets de rectification quantique résultent de quelque chose appelé couplage spin-orbite, qui est un hybride de la mécanique quantique et de la théorie de la relativité d’Einstein. Comme vous pouvez vous y attendre, ce mélange étrange entraîne généralement de minuscules effets de rectification.

« La grande chose à propos des nanofils isolants topologiques est que nous pouvons synthétiser essentiellement la même physique, mais à une échelle beaucoup plus grande », explique le Dr. Henry Legg, Georg H. Endress Postdoc à l’Université de Bâle et premier auteur de l’ouvrage. « Cela conduit à un énorme effet de rectification par rapport à d’autres matériaux. C’est également l’un des aspects qui rendent les isolants topologiques si intéressants pour les applications en informatique quantique.

Au-delà de la loi d’Ohm

La loi d’Ohm stipule que le courant traversant un appareil est déterminé par la chute de tension à travers celui-ci et une quantité appelée résistance. Cependant, lorsque la mécanique quantique est impliquée, la loi d’Ohm doit parfois être corrigée.

Plus précisément, lorsqu’un matériau ou un appareil n’a pas la même apparence lorsque toutes ses propriétés spatiales sont reflétées – appelée symétrie d’inversion spatiale brisée – l’application d’un champ magnétique signifie que la version quantique de la loi d’Ohm permet au courant de circuler plus facilement dans une direction par rapport à l’autre. L’amplitude du redressement du courant est déterminée par la différence des résistances dans chaque direction.

Le degré élevé de contrôle possible avec les dispositifs d’isolateur topologiques a permis à l’équipe de recherche d’obtenir un effet de rectification véritablement gargantuesque par rapport à ce qui avait été observé précédemment.

Information quantique robuste

Les ordinateurs quantiques promettent une puissance de calcul sans précédent, mais sont très vulnérables à l’influence de l’environnement extérieur. Une solution proposée à la fragilité des unités d’information quantiques – les qubits – sont des qubits topologiques, qui devraient être beaucoup plus stables face aux influences de l’environnement extérieur. Cette protection découle également des mathématiques de la topologie qui sous-tendent les propriétés des isolants topologiques.

Les isolants topologiques ont longtemps été considérés comme de bons candidats pour la base des ordinateurs quantiques topologiques. Cependant, un bon contrôle des dispositifs isolateurs topologiques est essentiel pour pouvoir générer des qubits topologiques.

« Notre étude a non seulement découvert un effet quantique unique et très important, mais montre également que nous avons une excellente compréhension de ce qui se passe dans ces systèmes. C’est une façon de produire des qubits topologiques », explique le professeur Dr Jelena Klinovaja de l’Université. de Bâle.


Premier bit quantique hybride basé sur des isolants topologiques


Plus d’information:
Henry Legg, Anisotropie magnétochirale géante à partir d’états de confinés quantiques de nanofils isolants topologiques, nanotechnologie de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41565-022-01124-1. www.nature.com/articles/s41565-022-01124-1

Fourni par l’Université de Bâle

Citation: Rue à sens unique quantique dans les nanofils isolants topologiques (12 mai 2022), récupéré le 12 mai 2022 sur https://phys.org/news/2022-05-quantum-one-way-street-topological-insulator.html

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