Crédit photo : UCSB
Un nouveau matériau passionnant
Depuis qu’ils ont reçu une subvention de 25 millions de dollars en 2019 pour devenir la première fonderie quantique de la National Science Foundation (NSF), les chercheurs de l’UC Santa Barbara affiliés à la fonderie ont travaillé au développement de matériaux qui peuvent activer les technologies basées sur l’information quantique pour des applications telles que l’informatique quantique, communications, détection et simulation.
Ils l’ont peut-être fait.
Dans un nouvel article publié dans la revue Matériaux naturels, co-directeur de la fonderie et professeur de matériaux à l’UCSB Stephen Wilson, et plusieurs co-auteurs, dont des collaborateurs clés de université de Princeton, étudiez un nouveau matériau développé dans la fonderie quantique en tant que supraconducteur candidat – un matériau dans lequel la résistance électrique disparaît et les champs magnétiques sont expulsés – qui pourrait être utile dans le futur calcul quantique.
Un article précédent publié par le groupe de Wilson dans la revue Physical Review Letters et présenté dans le magazine Physics décrivait un nouveau matériau, l’antimonide de césium vanadium (CsV3Sb5), qui présente un mélange surprenant de caractéristiques impliquant une structure de charge auto-organisée entrelacée avec un état supraconducteur. La découverte a été faite par le boursier postdoctoral Elings Brenden R. Ortiz. En fin de compte, a déclaré Wilson, ces caractéristiques sont partagées par un certain nombre de matériaux connexes, y compris RbV3Sb5 et KV3Sb5, ce dernier (un mélange de potassium, de vanadium et d’antimoine) faisant l’objet de cet article le plus récent, intitulé « Discovery of unconventional chiral charge order in kagome supraconductor KV3Sb5. “
Stephen Wilson. Crédit : Spencer Bruttig
Les matériaux de ce groupe de composés, a noté Wilson, « devraient héberger une physique intéressante des ondes de densité de charge. [that is, their electrons self-organize into a non-uniform pattern across the metal sites in the compound]. La nature particulière de cette structuration auto-organisée des électrons est au centre du travail actuel.
Cet état d’onde de densité de charge prédit et d’autres phénomènes physiques exotiques découlent du réseau d’ions vanadium (V) à l’intérieur de ces matériaux, qui forment un réseau de triangles partageant les coins connu sous le nom de réseau kagome. KV3Sb5 a été découvert comme étant un métal rare construit à partir de plans de réseau kagome, qui est également supraconducteur. Certaines des autres caractéristiques du matériau ont conduit les chercheurs à supposer que les charges qu’il contient peuvent former de minuscules boucles de courant qui créent des champs magnétiques locaux.
Les scientifiques des matériaux et les physiciens prédisent depuis longtemps qu’un matériau pourrait être fabriqué qui présenterait un type d’ordre d’onde de densité de charge qui casse ce qu’on appelle symétrie d’inversion du temps. “Cela signifie qu’il a un moment magnétique, ou un champ, qui lui est associé”, a déclaré Wilson. « Vous pouvez imaginer qu’il y a certains motifs sur le réseau kagome où la charge se déplace en une petite boucle. Cette boucle est comme une boucle de courant, et elle vous donnera un champ magnétique. Un tel état serait un nouvel état électronique de la matière et aurait des conséquences importantes pour la supraconductivité non conventionnelle sous-jacente.
Le rôle du groupe de Wilson était de fabriquer le matériau et de caractériser ses propriétés en vrac. L’équipe de Princeton a ensuite utilisé la microscopie à effet tunnel (STM) à haute résolution pour identifier ce qu’elle pense être les signatures d’un tel état, qui, a déclaré Wilson, “sont également supposées exister dans d’autres supraconducteurs anormaux, tels que ceux qui supraconducteurs à haute température , même si cela n’a pas été définitivement démontré.
STM fonctionne en balayant une pointe de fil métallique très pointue sur une surface. En amenant la pointe extrêmement près de la surface et en appliquant une tension électrique à la pointe ou à l’échantillon, la surface peut être imagée à l’échelle de la résolution des atomes individuels et de l’endroit où les électrons se groupent. Dans l’article, les chercheurs décrivent voir et analyser un modèle d’ordre dans la charge électronique, qui change lorsqu’un champ magnétique est appliqué. Ce couplage à un champ magnétique externe suggère un état d’onde de densité de charge qui crée son propre champ magnétique.
C’est exactement le genre de travail pour lequel la fonderie quantique a été créée. « La contribution de la fonderie est importante », a déclaré Wilson. « Il a joué un rôle de premier plan dans le développement de ces matériaux, et les chercheurs en fonderie y ont découvert une supraconductivité, puis ont trouvé des signatures indiquant qu’ils pourraient posséder une onde de densité de charge. Maintenant, les matériaux sont étudiés dans le monde entier, car ils ont divers aspects qui intéressent de nombreuses communautés différentes.
“Ils intéressent, par exemple, les gens de l’information quantique en tant que supraconducteurs topologiques potentiels”, a-t-il poursuivi. « Ils intéressent les personnes qui étudient la nouvelle physique des métaux topologiques, car ils hébergent potentiellement des effets de corrélation intéressants, définis comme l’interaction des électrons entre eux, et c’est potentiellement ce qui fournit la genèse de cet état d’onde de densité de charge. Et ils intéressent les personnes qui recherchent la supraconductivité à haute température, car ils ont des éléments qui semblent les lier à certaines des caractéristiques observées dans ces matériaux, même si KV3Sb5 supraconducteurs à une température assez basse.
Si KV3Sb5 s’avère être ce qu’on soupçonne d’être, il pourrait être utilisé pour rendre un qubit topologique utile dans les applications d’information quantique. Par exemple, Wilson a déclaré : « En fabriquant un ordinateur topologique, on veut créer des qubits dont les performances sont améliorées par les symétries du matériau, ce qui signifie qu’ils n’ont pas tendance à se désintégrer. [decoherence of fleeting entangled quantum states being a major obstacle in quantum computing] et ont donc un besoin réduit de correction d’erreur conventionnelle.
“Il n’y a que certains types d’états que vous pouvez trouver qui peuvent servir de qubit topologique, et un supraconducteur topologique devrait en héberger un”, a-t-il ajouté. « De tels matériaux sont rares. Ce système peut être intéressant pour cela, mais c’est loin d’être confirmé, et il est difficile de confirmer s’il l’est ou non. Il reste beaucoup à faire pour comprendre cette nouvelle classe de supraconducteurs.
Référence : « Ordre de charge chirale non conventionnel dans le supraconducteur kagome KV3Sb5“Par Yu-Xiao Jiang, Jia-Xin Yin, M. Michael Denner, Nana Shumiya, Brenden R. Ortiz, Gang Xu, Zurab Guguchia, Junyi He, Md Shafayat Hossain, Xiaoxiong Liu, Jacob Ruff, Linus Kautzsch, Songtian S. Zhang, Guoqing Chang, Ilya Belopolski, Qi Zhang, Tyler A. Cochran, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Zi-Jia Cheng, Xian P. Yang, Ziqiang Wang, Ronny Thomale, Titus Neupert, Stephen D. Wilson et M. Zahid Hasan , 10 juin 2021, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038 / s41563-021-01034-y
