Illustration d’artiste du comportement hydrodynamique d’un ensemble en interaction de défauts de spin quantique dans le diamant. Crédit : Norman Yao/Laboratoire de Berkeley
La recherche dirigée par Berkeley Lab est la clé de l’informatique et des technologies quantiques de nouvelle génération.
En 1998, des chercheurs, dont Mark Kubinec de l’UC Berkeley, ont effectué l’un des premiers calculs quantiques simples utilisant des molécules individuelles. Ils ont utilisé des impulsions d’ondes radio pour inverser les spins de deux noyaux d’une molécule, l’orientation « haut » ou « bas » de chaque spin stockant des informations de la même manière qu’un état « 0 » ou « 1 » stocke des informations dans un bit de données classique. . À l’époque des premiers ordinateurs quantiques, l’orientation combinée des deux noyaux – c’est-à-dire l’état quantique de la molécule – ne pouvait être préservée que pendant de brèves périodes dans des environnements spécialement réglés. En d’autres termes, le système a rapidement perdu sa cohérence. Le contrôle de la cohérence quantique est l’étape manquante pour construire des ordinateurs quantiques évolutifs.
Aujourd’hui, les chercheurs développent de nouvelles voies pour créer et protéger la cohérence quantique. Cela permettra des dispositifs de mesure et de traitement de l’information extrêmement sensibles qui fonctionnent dans des conditions ambiantes ou même extrêmes. En 2018, Joel Moore, chercheur principal au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et professeur à l’UC Berkeley, a obtenu des fonds du ministère de l’Énergie pour créer et diriger un Energy Frontier Research Center (EFRC) – appelé Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC) – pour faire avancer ces efforts. « Les EFRC sont un outil important pour le DOE pour permettre des collaborations interinstitutionnelles ciblées afin de progresser rapidement sur des problèmes scientifiques de pointe qui dépassent la portée des chercheurs individuels », a déclaré Moore.
Par le biais du NPQC, des scientifiques de Berkeley Lab, UC Berkeley, UC Santa Barbara, Argonne National Laboratory et Université Columbia ouvrent la voie à la compréhension et à la manipulation de la cohérence dans une variété de systèmes à semi-conducteurs. Leur triple approche se concentre sur le développement de nouvelles plates-formes pour la détection quantique ; concevoir des matériaux bidimensionnels qui hébergent des états quantiques complexes ; et explorer des moyens de contrôler avec précision les propriétés électroniques et magnétiques d’un matériau via des processus quantiques. La solution à ces problèmes réside dans la communauté des sciences des matériaux. Développer la capacité à manipuler la cohérence dans des environnements réalistes nécessite une compréhension approfondie des matériaux qui pourraient fournir des technologies alternatives de bit quantique (ou « qubit »), de détection ou optique.
Les découvertes fondamentales sous-tendent d’autres développements qui contribueront à d’autres investissements du DOE dans l’ensemble de l’Office of Science. Alors que le programme entre dans sa quatrième année, plusieurs percées jettent les bases scientifiques d’innovations en science de l’information quantique.
Plus de défauts, plus d’opportunités
De nombreuses réalisations du NPQC jusqu’à présent se concentrent sur des plates-formes quantiques basées sur des défauts spécifiques dans la structure d’un matériau appelés défauts de spin. Un défaut de spin dans le fond cristallin droit peut approcher une cohérence quantique parfaite, tout en possédant une robustesse et une fonctionnalité considérablement améliorées.
Ces imperfections peuvent être utilisées pour fabriquer des plates-formes de détection de haute précision. Chaque défaut de rotation répond à des fluctuations extrêmement subtiles de l’environnement ; et des ensembles cohérents de défauts peuvent atteindre des résultats sans précédent précision et précision. Mais comprendre comment évolue la cohérence dans un système à plusieurs spins, où tous les spins interagissent les uns avec les autres, est intimidant. Pour relever ce défi, les chercheurs du NPQC se tournent vers un matériau commun qui s’avère idéal pour la détection quantique : le diamant.
Pendant la formation du diamant, le remplacement d’un atome de carbone (vert) par un atome d’azote (jaune, N) et l’omission d’un autre pour laisser une lacune (violet, V) crée un défaut commun qui a des propriétés de spin bien définies. Crédit : NIST
Dans la nature, chaque carbone atome dans la structure cristalline d’un diamant se connecte à quatre autres atomes de carbone. Lorsqu’un atome de carbone est remplacé par un atome différent ou complètement omis, ce qui se produit généralement lors de la formation de la structure cristalline du diamant, le défaut résultant peut parfois se comporter comme un système atomique qui a un spin bien défini – une forme intrinsèque de moment angulaire porté par électrons ou autres particules subatomiques. Tout comme ces particules, certains défauts du diamant peuvent avoir une orientation, ou une polarisation, qui est soit « spin-up » ou « spin-down ».
En créant plusieurs défauts de spin différents dans un réseau de diamants, Norman Yao, chercheur au Berkeley Lab et professeur adjoint de physique à l’UC Berkeley, et ses collègues ont créé un système 3D avec des spins dispersés dans tout le volume. Au sein de ce système, les chercheurs ont développé un moyen de sonder le « mouvement » de la polarisation du spin à des échelles de longueur minuscules.
Schéma illustrant une poche centrale de spin en excès (ombrage turquoise) dans un cube de diamant, qui s’étend ensuite un peu comme un colorant dans un liquide. Crédit : Berkeley Lab
En utilisant une combinaison de techniques de mesure, les chercheurs ont découvert que le spin se déplace dans le système de mécanique quantique presque de la même manière que le colorant se déplace dans un liquide. Apprendre des colorants s’est avéré être un moyen efficace de comprendre la cohérence quantique, comme récemment publié dans la revue La nature. Non seulement le comportement émergent du spin fournit un cadre classique puissant pour comprendre la dynamique quantique, mais le système multi-défauts fournit également une plate-forme expérimentale pour explorer le fonctionnement de la cohérence. Moore, le directeur du NPQC et membre de l’équipe qui a déjà étudié d’autres types de dynamique quantique, a décrit la plate-forme NPQC comme “un exemple contrôlable de manière unique de l’interaction entre le désordre, les interactions dipolaires à longue distance entre les spins et la cohérence quantique”.
Les temps de cohérence de ces défauts de spin dépendent fortement de leur environnement immédiat. De nombreuses percées du NPQC se sont concentrées sur la création et la cartographie de la sensibilité à la déformation dans la structure entourant les défauts individuels du diamant et d’autres matériaux. Cela peut révéler la meilleure façon de concevoir des défauts qui ont les temps de cohérence les plus longs possibles dans les matériaux 3D et 2D. Mais comment exactement les changements imposés par les forces sur le matériau lui-même peuvent-ils être corrélés aux changements de cohérence du défaut ?
Pour le savoir, les chercheurs du NPQC développent une technique permettant de créer des zones déformées dans un cristal hôte et de mesurer la déformation. “Si vous pensez aux atomes dans un réseau en termes de sommier tapissier, vous obtenez des résultats différents selon la façon dont vous appuyez dessus”, a déclaré Martin Holt, chef de groupe en microscopie électronique et à rayons X au Laboratoire national d’Argonne et chercheur principal. avec le NPQC. À l’aide de la source avancée de photons et du centre pour les matériaux à l’échelle nanométrique, deux installations d’utilisateurs du laboratoire national d’Argonne, lui et ses collègues offrent une image directe des zones déformées dans un cristal hôte. Jusqu’à présent, l’orientation d’un défaut dans un échantillon était essentiellement aléatoire. Les images révèlent quelles orientations sont les plus sensibles, offrant une voie prometteuse pour la détection quantique à haute pression.
Des scientifiques du Berkeley Lab et de l’UC Berkeley ont découvert de manière inattendue la supraconductivité dans une triple couche de feuilles de carbone. Crédit : Feng Wang et Guorui Chen/Laboratoire de Berkeley
« C’est vraiment magnifique que vous puissiez prendre quelque chose comme le diamant et lui apporter une utilité. Avoir quelque chose d’assez simple pour comprendre la physique de base, mais qui peut également être suffisamment manipulé pour faire de la physique complexe, c’est formidable », a déclaré Holt.
Un autre objectif de cette recherche est la capacité de transférer un état quantique, comme celui d’un défaut dans le diamant, de manière cohérente d’un point à un autre à l’aide d’électrons. Les travaux des scientifiques du NPQC au Berkeley Lab et au Argonne Lab étudient des fils quantiques spéciaux qui apparaissent dans des couches atomiquement minces de certains matériaux. La supraconductivité était découvert de façon inattendue dans l’un de ces systèmes, une triple couche de feuilles de carbone, par le groupe dirigé par Feng Wang, chercheur principal à la faculté de Berkeley Lab et professeur à l’UC Berkeley, et leader des efforts du NPQC dans les matériaux atomiquement minces. À propos de ces travaux, publiés dans Nature en 2019, Wang a déclaré : « Le fait que les mêmes matériaux puissent offrir à la fois une conduction unidimensionnelle protégée et une supraconductivité ouvre de nouvelles possibilités pour protéger et transférer la cohérence quantique. »
Vers des appareils utiles
Les systèmes multi-défauts ne sont pas seulement importants en tant que connaissances scientifiques fondamentales. Elles ont également le potentiel de devenir des technologies transformatrices. Dans de nouveaux matériaux bidimensionnels qui ouvrent la voie à une électronique ultra-rapide et à des capteurs ultra-stables, les chercheurs du NPQC étudient comment les défauts de spin peuvent être utilisés pour contrôler les propriétés électroniques et magnétiques du matériau. Des découvertes récentes ont offert quelques surprises.
« Une compréhension fondamentale des matériaux magnétiques à l’échelle nanométrique et de leurs applications en spintronique a déjà conduit à une énorme transformation dans les dispositifs de stockage magnétique et de capteurs. L’exploitation de la cohérence quantique dans les matériaux magnétiques pourrait être le prochain pas vers l’électronique de faible puissance », a déclaré Peter Fischer, scientifique principal et adjoint de la division des sciences des matériaux au Berkeley Lab.
Les propriétés magnétiques d’un matériau dépendent entièrement de l’alignement des spins dans les atomes adjacents. Contrairement aux spins parfaitement alignés dans un aimant de réfrigérateur typique ou aux aimants utilisés dans le stockage de données classique, les antiferromagnétiques ont des spins adjacents qui pointent dans des directions opposées et s’annulent efficacement. En conséquence, les antiferromagnétiques n’ont pas « d’action » magnétique et sont extrêmement résistants aux perturbations externes. Les chercheurs ont longtemps cherché des moyens de les utiliser dans l’électronique basée sur le spin, où l’information est transportée par spin plutôt que par charge. La clé pour y parvenir est de trouver un moyen de manipuler l’orientation du spin et de maintenir la cohérence.
Un dispositif magnétique exotique pourrait encore miniaturiser les appareils informatiques et les appareils électroniques personnels sans perte de performances. La barre d’échelle illustrée ci-dessus est de 10 micromètres. Crédit : James Analytis/Laboratoire de Berkeley
En 2019, des chercheurs du NPQC dirigés par James Analytis, chercheur au Berkeley Lab et professeur agrégé de physique à l’UC Berkeley, avec le postdoctorant Eran Maniv, ont observé que l’application d’une petite impulsion unique de courant électrique à de minuscules flocons d’un antiferromagnétique provoquait les spins. faire pivoter et « changer » leur orientation. En conséquence, les propriétés du matériau ont pu être réglées de manière extrêmement rapide et précise. “Comprendre la physique derrière cela nécessitera plus d’observations expérimentales et une certaine modélisation théorique”, a déclaré Maniv. « De nouveaux matériaux pourraient aider à révéler comment cela fonctionne. C’est le début d’un nouveau domaine de recherche.
Maintenant, les chercheurs s’efforcent de déterminer le mécanisme exact qui entraîne cette commutation dans les matériaux fabriqués et caractérisés à la Molecular Foundry, une installation d’utilisateurs du Berkeley Lab. Découvertes récentes, Publié dans Avancées scientifiques et Physique de la nature, suggèrent que le réglage fin des défauts dans un matériau en couches pourrait fournir un moyen fiable de contrôler le modèle de spin dans les nouvelles plates-formes de dispositifs. “C’est un exemple remarquable de la façon dont le fait d’avoir de nombreux défauts nous permet de stabiliser une structure magnétique commutable”, a déclaré Moore, le leader du NPQC.
Tisser de nouveaux fils
Au cours de sa prochaine année de fonctionnement, le NPQC s’appuiera sur les progrès de cette année. Les objectifs comprennent l’exploration de la façon dont plusieurs défauts interagissent dans les matériaux bidimensionnels et l’étude de nouveaux types de structures unidimensionnelles qui pourraient survenir. Ces structures de dimensions inférieures pourraient faire leurs preuves en tant que capteurs pour détecter les propriétés à plus petite échelle d’autres matériaux. De plus, se concentrer sur la façon dont les courants électriques peuvent manipuler les propriétés magnétiques dérivées du spin reliera directement la science fondamentale aux technologies appliquées.
La progression rapide de ces tâches nécessite la combinaison de techniques et d’expertises qui ne peuvent être créées que dans un large cadre collaboratif. « Vous ne développez pas les capacités de manière isolée », a déclaré Holt. « Le NPQC fournit l’environnement de recherche dynamique qui stimule la science et exploite ce que chaque laboratoire ou installation fait. » Le centre de recherche offre quant à lui uneune éducation unique aux frontières de la science, y compris des opportunités de développement de la main-d’œuvre scientifique qui dirigera la future industrie quantique.
Le NPQC apporte un nouvel ensemble de questions et d’objectifs à l’étude de la physique fondamentale des matériaux quantiques. Moore a déclaré : « La mécanique quantique régit le comportement des électrons dans les solides, et ce comportement est à la base d’une grande partie de la technologie moderne que nous tenons pour acquis. Mais nous sommes maintenant au début de la deuxième révolution quantique, où des propriétés telles que la cohérence occupent une place centrale, et comprendre comment améliorer ces propriétés ouvre une nouvelle série de questions sur les matériaux auxquelles nous devons répondre. »
Référence : « Emergent hydrodynamics in a fortement interacting dipolar spin ensemble » par C. Zu, F. Machado, B. Ye, S. Choi, B. Kobrin, T. Mittiga, S. Hsieh, P. Bhattacharyya, M. Markham, D. Twitchen, A. Jarmola, D. Budker, CR Laumann, JE Moore et NY Yao, 1er septembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03763-1
