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La configuration de la diffusion inélastique des rayons X au milli-électronvolt qui sonde la localisation à N corps dans le système de super-réseaux désordonné. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation des chercheurs
Dans une étude qui pourrait bénéficier l’informatique quantique, les chercheurs montrent qu’un super-réseau incrusté de nanopoints peut être immunisé contre la dissipation d’énergie dans l’environnement.
Des scientifiques du monde entier développent du nouveau matériel pour les ordinateurs quantiques, un nouveau type d’appareil qui pourrait accélérer la conception de médicaments, la modélisation financière et la prévision météorologique. Ces ordinateurs reposent sur des qubits, des bits de matière qui peuvent représenter une combinaison de 1 et 0 simultanément. Le problème est que les qubits sont inconstants, se dégradant en bits réguliers lorsque les interactions avec la matière environnante interfèrent. Mais de nouvelles recherches à AVEC suggère un moyen de protéger leurs états, en utilisant un phénomène appelé localisation à plusieurs corps (MBL).
La MBL est une phase particulière de la matière, proposée il y a des décennies, qui est différente du solide ou du liquide. Typiquement, la matière arrive à l’équilibre thermique avec son environnement. C’est pourquoi la soupe refroidit et les glaçons fondent. Mais dans MBL, un objet constitué de nombreux corps en interaction forte, tels que des atomes, n’atteint jamais un tel équilibre. La chaleur, comme le son, est constituée de vibrations atomiques collectives et peut voyager par ondes ; un objet a toujours de telles vagues de chaleur à l’intérieur. Mais quand il y a assez de désordre et assez d’interaction dans la façon dont ses atomes sont disposés, les ondes peuvent être piégées, empêchant ainsi l’objet d’atteindre l’équilibre.
La MBL avait été démontrée dans des « réseaux optiques », des arrangements d’atomes à des températures très froides maintenus en place à l’aide de lasers. Mais de telles configurations ne sont pas pratiques. La MBL avait également sans doute été démontrée dans des systèmes solides, mais uniquement avec une dynamique temporelle très lente, dans laquelle l’existence de la phase est difficile à prouver car l’équilibre pourrait être atteint si les chercheurs pouvaient attendre assez longtemps. La recherche du MIT a trouvé des signatures de MBL dans un système «à semi-conducteurs» – un système composé de semi-conducteurs – qui aurait autrement atteint l’équilibre au moment où il a été observé.
“Cela pourrait ouvrir un nouveau chapitre dans l’étude de la dynamique quantique”, explique Rahul Nandkishore, physicien à l’Université du Colorado à Boulder, qui n’était pas impliqué dans les travaux.
Mingda Li, le professeur adjoint Norman C Rasmussen en sciences et ingénierie nucléaires au MIT, a dirigé la nouvelle étude, publiée dans un récent numéro de Lettres nano. Les chercheurs ont construit un système contenant des couches semi-conductrices alternées, créant une lasagne microscopique – arséniure d’aluminium, suivi d’arséniure de gallium, et ainsi de suite, pour 600 couches, chacune de 3 nanomètres (millionièmes de millimètre) d’épaisseur. Entre les couches, ils ont dispersé des “nanodots”, des particules de 2 nanomètres d’arséniure d’erbium, pour créer du désordre. La lasagne, ou « super-réseau », se déclinait en trois recettes : une sans nanopoints, une dans laquelle les nanopoints couvraient 8 pour cent de la surface de chaque couche et une dans laquelle ils couvraient 25 pour cent.
Selon Li, l’équipe a utilisé des couches de matériau, au lieu d’un matériau en vrac, pour simplifier le système, de sorte que la dissipation de la chaleur à travers les plans était essentiellement unidimensionnelle. Et ils ont utilisé des nanopoints, au lieu de simples impuretés chimiques, pour intensifier le désordre.
Pour mesurer si ces systèmes désordonnés restent toujours en équilibre, les chercheurs les ont mesurés avec des rayons X. À l’aide de la source avancée de photons du laboratoire national d’Argonne, ils ont tiré des faisceaux de rayonnement à une énergie de plus de 20 000 électrons-volts, et pour résoudre la différence d’énergie entre le rayon X entrant et après sa réflexion sur la surface de l’échantillon, avec une résolution d’énergie moins d’un millième d’électron-volt. Pour éviter de pénétrer le super-réseau et de heurter le substrat sous-jacent, ils l’ont tourné à un angle d’à peine un demi-degré par rapport au parallèle.
Tout comme la lumière peut être mesurée sous forme d’ondes ou de particules, la chaleur peut également être mesurée. La vibration atomique collective pour la chaleur sous la forme d’une unité caloporteuse est appelée phonon. Les rayons X interagissent avec ces phonons, et en mesurant la façon dont les rayons X se reflètent sur l’échantillon, les expérimentateurs peuvent déterminer s’il est en équilibre.
Les chercheurs ont découvert que lorsque le super-réseau était froid – 30 kelvin, environ -400 degrés Fahrenheit — et il contenait des nanopoints, ses phonons à certaines fréquences n’étaient pas en équilibre.
Il reste encore du travail pour prouver de manière concluante que la MBL a été réalisée, mais « cette nouvelle phase quantique peut ouvrir une toute nouvelle plate-forme pour explorer les phénomènes quantiques », dit Li, « avec de nombreuses applications potentielles, du stockage thermique à l’informatique quantique ».
Pour créer des qubits, certains ordinateurs quantiques utilisent des grains de matière appelés points quantiques. Li dit que des points quantiques similaires aux nanopoints de Li pourraient agir comme des qubits. Les aimants pourraient lire ou écrire leurs états quantiques, tandis que la localisation à plusieurs corps les maintiendrait isolés de la chaleur et d’autres facteurs environnementaux.
En termes de stockage thermique, un tel super-réseau pourrait entrer et sortir d’une phase MBL en contrôlant magnétiquement les nanopoints. Cela pourrait isoler les pièces de l’ordinateur de la chaleur à un moment donné, puis permettre aux pièces de disperser la chaleur lorsqu’elle ne causera pas de dommages. Ou cela pourrait permettre à la chaleur de s’accumuler et d’être exploitée plus tard pour produire de l’électricité.
De manière pratique, des super-réseaux avec des nanopoints peuvent être construits à l’aide de techniques traditionnelles de fabrication de semi-conducteurs, aux côtés d’autres éléments de puces informatiques. Selon Li, “C’est un espace de conception beaucoup plus grand qu’avec le dopage chimique, et il existe de nombreuses applications.”
“Je suis ravi de voir que les signatures de MBL peuvent désormais également être trouvées dans des systèmes matériels réels”, a déclaré Immanuel Bloch, directeur scientifique du Max-Planck-Institute of Quantum Optics, à propos des nouveaux travaux. «Je pense que cela nous aidera à mieux comprendre les conditions dans lesquelles la MBL peut être observée dans différents systèmes quantiques à N corps et comment un éventuel couplage à l’environnement affecte la stabilité du système. Ce sont des questions fondamentales et importantes et l’expérience du MIT est une étape importante pour nous aider à y répondre.
Référence : “Signature of Many-Body Localization of Phonons in Strongly Disordered Superlattices” par Thanh Nguyen, Nina Andrejevic, Hoi Chun Po, Qichen Song, Yoichiro Tsurimaki, Nathan C. Drucker, Ahmet Alatas, Esen E. Alp, Bogdan M. Leu , Alessandro Cunsolo, Yong Q. Cai, Lijun Wu, Joseph A. Garlow, Yimei Zhu, Hong Lu, Arthur C. Gossard, Alexander A. Puretzky, David B. Geohegan, Shengxi Huang et Mingda Li, 27 juillet 2021, Lettres nano.
DOI : 10.1021/acs.nanolett.1c01905
Le financement a été fourni par le programme de diffusion des neutrons du programme des sciences de l’énergie de base du département américain de l’Énergie.
