Les scientifiques découvrent un nouveau phénomène qui pourrait faire progresser l’informatique quantique

Les scientifiques du DOE et du Lawrence Berkeley National Laboratory ont fait une découverte inattendue qui pourrait aider à faire progresser le domaine de l’informatique quantique et des supraconducteurs à haute température. L’équipe a pris la photo la plus claire à ce jour de particules électroniques qui composent un liquide quantique de spin (QSL), qui est un état magnétique que les scientifiques ne connaissent pas encore très bien.

La recherche a été publiée dans la revue Nature Physics.

L’équipe a été la première à capturer une telle image de la façon dont les électrons dans un QSL se décomposent en spinons, ou particules de spin, et en chargons, ou particules de charge.

Mike Crommie est le chef d’étude et scientifique senior au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et professeur de physique à l’UC.

Sung-Kwan Mo est co-auteur et scientifique au Advanced Light Source de Berkeley Lab.

“Les spinons sont comme des particules fantômes. Ils sont comme le Big Foot de la physique quantique — les gens disent qu’ils les ont vus, mais il est difficile de prouver qu’ils existent”, a déclaré Mo. “Avec notre méthode, nous avons fourni certaines des meilleures preuves à ce jour.”

Détection des spinons

Les spinons se déplacent librement tout en transportant la chaleur et le spin dans un QSL. Cependant, ils n’ont pas de charge électrique. Les chercheurs ont traditionnellement utilisé des techniques qui recherchent des signatures de chaleur pour détecter les spinons.

L’équipe a pu démontrer comment caractériser les spinons dans les QSL en imaginant directement la façon dont ils sont distribués dans un matériau.

L’équipe a commencé l’étude en cultivant des échantillons de disélénure de tantale de trois atomes d’épaisseur. Le matériau appartient à une classe de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), et cela a été utile puisque l’équipe est experte en épitaxie par faisceau moléculaire, qui est une technique pour synthétiser des cristaux de TMDC atomiquement minces à partir de leurs éléments constitutifs.

L’équipe a ensuite caractérisé les couches minces à l’aide d’une technique qui utilise des rayons X générés au ALS. Cette technique s’appelle spectroscopie de photoémission à angle résolu.

Une autre technique appelée microscopie à tunnel à balayage (STM) a été utilisée par les chercheurs du laboratoire de Crommie pour injecter des électrons dans l’échantillon de disélénure de tantale TMDC. L’équipe comprenait les co-premiers auteurs Wei Ruan, boursier postdoctoral au moment de la recherche, et Yi Chen, étudiant en doctorat à l’UC Berkeley au moment de la recherche.

Les chercheurs ont fait une découverte inattendue après avoir rassemblé des images par spectroscopie de tunnel à balayage (STS), qui est une technique d’imagerie mesurant la façon dont les particules s’arrangent à une énergie particulière. L’équipe a constaté qu’une couche d’ondes de longueurs d’onde supérieures à un nanomètre recouvrait la surface du matériau.

“Les longues longueurs d’onde que nous avons vues ne correspondaient à aucun comportement connu du cristal”, a déclaré Crommie. “Nous nous sommes gratté la tête pendant longtemps. Qu’est-ce qui pourrait causer de telles modulations de longueurs d’onde dans le cristal ? Nous avons écarté les explications conventionnelles une par une. Nous ne savions pas que c’était la signature de particules fantômes de spinons.”

En contactant un collaborateur théoricien au MIT, les chercheurs ont ensuite constaté que lorsqu’un électron est injecté dans un QSL à partir de la pointe d’un STM, il se brise en deux parties à l’intérieur du QSL. Ces deux parties sont des spinons et des chargons, et c’est le résultat de la façon dont le spin et la charge dans un QSL interagissent l’un avec l’autre. Alors que les particules de spinon transportent le spin séparément, les chargons supportent séparément la charge électrique.

“Expérience hors du corps”

Les images STM/STS ont démontré que les chargons gèlent en place et forment ce que les scientifiques appellent une onde de densité de charge en étoile de David. En même temps, les spinons ont une “expérience hors du corps” lorsqu’ils se séparent des chargons et se déplacent librement dans le matériau.

“C’est inhabituel puisque dans un matériau conventionnel, les électrons transportent à la fois le spin et la charge combinés en une seule particule lorsqu’ils se déplacent”, a déclaré Crommie. “Ils ne se brisent généralement pas de cette façon drôle.”

Crommie ajoute également que les QSL pourraient former la base de bits quantiques robustes, ou qubits, qui sont les blocs de construction fondamentaux de l’informatique quantique. L’informatique conventionnelle repose sur un bit qui code l’information sous la forme zéro ou un, mais les qubits peuvent contenir ces deux valeurs simultanément. Cela donne lieu à des calculs beaucoup plus rapides, et en comprenant le comportement des spinons et des chargons dans les QSL, les scientifiques pourraient utiliser cela pour faire progresser l’informatique de nouvelle génération.

Les scientifiques disent également qu’en acquérant une compréhension plus approfondie des QSL, ils pourraient agir comme un prélude à la supraconductivité exotique, donc Crommie testera la prédiction au ALS.

“Une partie de la beauté de ce sujet est que toutes les interactions complexes à l’intérieur d’un QSL se combinent d’une certaine manière pour former une simple particule fantôme qui ne fait que rebondir à l’intérieur du cristal”, a-t-il déclaré. “Voir ce comportement a été assez surprenant, surtout puisque nous ne cherchions même pas à le trouver.”