Nouvelle plate-forme pour l’informatique quantique ? Le matériau artificiel imite les composés de terres rares enchevêtrés quantiques

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Nouvelle plate-forme pour l'informatique quantique ?  Le matériau artificiel imite les composés de terres rares enchevêtrés quantiques
Physique des Fermions Lourds dans une Hétérostructure

Les physiciens ont créé un nouveau matériau ultra-mince à deux couches avec des propriétés quantiques qui nécessitent normalement des composés de terres rares. Crédit : Heikka Valja

En combinant des matériaux bidimensionnels, les chercheurs créent un état intriqué quantique macroscopique émulant des composés de terres rares.

Les physiciens ont créé un nouveau matériau ultra-mince à deux couches avec des propriétés quantiques qui nécessitent normalement des composés de terres rares. Ce matériau, relativement facile à fabriquer et ne contenant pas de terres rares, pourrait offrir une nouvelle plate-forme pour l’informatique quantique et faire progresser la recherche sur la supraconductivité non conventionnelle et la criticité quantique.

Les chercheurs ont montré qu’en partant de matériaux apparemment communs, un état quantique radicalement nouveau de la matière peut apparaître. La découverte est née de leurs efforts pour créer un liquide de spin quantique qu’ils pourraient utiliser pour étudier des phénomènes quantiques émergents tels que la théorie de jauge. Cela implique la fabrication d’une seule couche de disulfure de tantale atomiquement mince, mais le processus crée également des îlots constitués de deux couches.

Lorsque l’équipe a examiné ces îles, elle a découvert que les interactions entre les deux couches induisaient un phénomène connu sous le nom d’effet Kondo, conduisant à un état macroscopiquement enchevêtré de la matière produisant un système de fermions lourds.


Viliam Vaňo et ses collègues ont créé un nouveau matériau ultra-mince à deux couches avec des propriétés quantiques qui nécessitent normalement des composés de terres rares. Ce matériau pourrait améliorer les ordinateurs quantiques et faire avancer la recherche sur la supraconductivité et la criticité quantique. Dans cette interview, Vaňo raconte comment cette découverte a été faite.

L’effet Kondo est une interaction entre les impuretés magnétiques et les électrons qui fait que la résistance électrique d’un matériau change avec la température. Il en résulte que les électrons se comportent comme s’ils avaient plus de masse, ce qui conduit ces composés à être appelés matériaux à fermions lourds. Ce phénomène est caractéristique des matériaux contenant des éléments de terres rares.

Les matériaux à fermions lourds sont importants dans plusieurs domaines de la physique de pointe, y compris la recherche sur les matériaux quantiques. « L’étude des matériaux quantiques complexes est entravée par les propriétés des composés naturels. Notre objectif est de produire des matériaux de conception artificiels qui peuvent être facilement réglés et contrôlés de l’extérieur pour élargir la gamme de phénomènes exotiques pouvant être réalisés en laboratoire », explique le professeur Peter Liljeroth.

Par exemple, des matériaux à fermions lourds pourraient agir comme des supraconducteurs topologiques, ce qui pourrait être utile pour construire des qubits plus robustes au bruit et aux perturbations de l’environnement, réduisant ainsi les taux d’erreur dans les ordinateurs quantiques. « Créer cela dans la vraie vie gagnerait énormément à disposer d’un système de matériaux à fermions lourds qui peut être facilement incorporé dans des appareils électriques et réglé de manière externe », explique Viliam Vaňo, doctorant dans le groupe de Liljeroth et auteur principal de l’article.

Bien que les deux couches du nouveau matériau soient du sulfure de tantale, il existe des différences subtiles mais importantes dans leurs propriétés. Une couche se comporte comme un métal, conducteur d’électrons, tandis que l’autre couche a un changement structurel qui provoque la localisation des électrons dans un réseau régulier. La combinaison des deux entraîne l’apparition d’une physique des fermions lourds, qu’aucune des deux couches ne présente seule.

Ce nouveau matériau à fermions lourds offre également un outil puissant pour sonder la criticité quantique. « Le matériau peut atteindre un point critique quantique lorsqu’il commence à passer d’un état quantique collectif à un autre, par exemple, d’un aimant régulier vers un matériau à fermions lourds enchevêtrés », explique le professeur Jose Lado. “Entre ces états, l’ensemble du système est critique, réagissant fortement au moindre changement et fournissant une plate-forme idéale pour concevoir une matière quantique encore plus exotique.”

« À l’avenir, nous explorerons comment le système réagit à la rotation de chaque feuille par rapport à l’autre et essaierons de modifier le couplage entre les couches pour adapter le matériau à un comportement critique quantique », explique Liljeroth.

Référence : « Artificial heavy fermions in a van der Waals heterostructure » par Viliam Vaňo, Mohammad Amini, Somesh C. Ganguli, Guangze Chen, Jose L. Lado, Shawulienu Kezilebieke et Peter Liljeroth, 24 novembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04021-0

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