Les scientifiques fusionnent deux matériaux «impossibles» dans une nouvelle structure artificielle

Une équipe internationale dirigée par les chercheurs de Brunswick de l’Université Rutgers a fusionné deux matériaux synthétisés en laboratoire dans une structure quantique synthétique autrefois impossible d’exister et a produit une structure exotique qui devrait fournir des informations qui pourraient conduire à de nouveaux matériaux au cœur de l’informatique quantique.

L’œuvre, décrite dans une histoire de couverture dans le journal Nano lettresexplique comment quatre années d’expérimentation continue ont conduit à une nouvelle méthode pour concevoir et construire un petit sandwich unique composé de couches atomiques distinctes.

Une tranche de la structure microscopique est faite de titanate de dysprosium, un composé inorganique utilisé dans les réacteurs nucléaires pour piéger les matières radioactives et contenir des particules monopôles magnétiques insaisissables, tandis que l’autre est composée de pyrochlore iridate, une nouvelle semi-métal magnétique principalement utilisée dans la recherche expérimentale d’aujourd’hui en raison de ses propriétés électroniques, topologiques et magnétiques distinctes.

Individuellement, les deux matériaux sont souvent considérés comme des matériaux «impossibles» en raison de leurs propriétés uniques qui remettent en question la compréhension conventionnelle de la physique quantique.

La construction de la structure des sandwichs exotiques ouvre la voie à des explorations scientifiques dans ce que l’on appelle l’interface, la zone où les matériaux se rencontrent, à l’échelle atomique.

“Ce travail fournit une nouvelle façon de concevoir des matériaux quantiques bidimensionnels artificiels entièrement nouveaux, avec le potentiel de pousser les technologies quantiques et de fournir un aperçu plus approfondi de leurs propriétés fondamentales d’une manière qui était auparavant impossible”, a déclaré Jak Chakhalian, le professeur de physique expérimentale de Claud Lovelace en matière de physique et d’étude de la physique et de l’astronomie à l’étude de Rutgers.

Chakhalian et son équipe explorent un domaine qui suit les lois de la théorie quantique, une branche de la physique qui décrit le comportement de la matière et de l’énergie au niveau atomique et subatomique. Au cœur de la mécanique quantique se trouve le concept de dualité onde-particules, où les objets quantiques peuvent posséder à la fois des propriétés en forme d’onde et des particules – un principe fondamental derrière des technologies telles que les lasers, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et les transistors.

Chakhalien a très félicité les efforts de trois étudiants de Rutgers qui ont apporté une contribution majeure à la recherche: Michael Terilli et Tsung-Chi Wu, tous deux doctorants, et Dorothy Doughty, diplômé en 2024 et ont travaillé sur l’étude en tant que premier cycle. De plus, Mikhail Kareev, qui est un scientifique des matériaux travaillant avec Chakhalian, a apporté une contribution principale à la nouvelle méthode de synthèse, ainsi qu’à Fangdi Wen, un doctorant qui a récemment obtenu son diplôme du Département de physique et d’astronomie.

Chakhalian a déclaré que la création du sandwich quantique unique était si difficile techniquement que l’équipe a dû construire un nouvel appareil pour accomplir l’exploit.

L’instrument, appelé Q-DIP, abrégé pour la plate-forme de découverte des phénomènes quantiques, a été achevé en 2023. Q-DIP incorpore un radiateur laser infrarouge avec un autre laser qui permet la construction de matériaux au niveau atomique, couche par couche. La combinaison permet aux scientifiques d’explorer les propriétés quantiques les plus complexes des matériaux jusqu’à des températures ultra froides près de zéro absolu.

“À notre connaissance, cette enquête est unique aux États-Unis et représente une percée en tant qu’avance instrumentale”, a déclaré Chakhalian.

La moitié du sandwich expérimental qui est le titanate de dysprosium, également connu sous le nom de glace de spin, possède des qualités spéciales. De minuscules aimants à l’intérieur, appelés tours, sont disposés d’une manière qui ressemble exactement au modèle de glace d’eau. La structure unique des minuscules aimants dans la glace de spin leur permet d’émerger comme des particules spéciales appelées monopoles magnétiques.

Un monopole magnétique est une particule qui agit comme un aimant, mais avec un seul pôle, soit au nord ou au sud, mais pas les deux. Cet objet, prévu en 1931 par le lauréat du prix Nobel Paul Dirac, n’existe pas sous forme libre dans l’univers et pourtant à l’intérieur de la glace de spin, il émerge à la suite des interactions mécaniques quantiques dans le matériau.

De l’autre côté du sandwich, le pyrochlore semital iridait est également considéré comme exotique car il contient de minuscules particules relativistes appelées fermions Weyl. Encore une fois, étonnamment, bien que prévu par Hermann Weyl en 1929, ces particules exotiques, découvertes en 2015 en cristaux, se déplacent comme la lumière et peuvent tourner de différentes manières – les mains à la gauche ou droitier.

Leurs propriétés électroniques sont très fortes et résistent à certains types de perturbations ou d’impuretés, ce qui les rend très stables lorsqu’ils fonctionnent dans le cadre des dispositifs électroniques. En conséquence, le pyrochlore iridate peut très bien conduire de l’électricité, répondre de manière inhabituelle aux champs magnétiques et montrer des effets spéciaux lorsqu’ils sont exposés à des champs électromagnétiques.

Chakhalian a déclaré que les propriétés combinées du nouveau matériau créé en font un candidat prometteur pour une utilisation dans les technologies avancées, y compris l’informatique quantique et en particulier pour les capteurs quantiques de nouvelle génération.

“Cette étude est un grand pas en avant dans la synthèse des matériaux et pourrait avoir un impact significatif sur la façon dont nous créons des capteurs quantiques et avance les appareils spinstronic”, a-t-il déclaré.

L’informatique quantique utilise les principes de la mécanique quantique pour traiter les informations. Les ordinateurs quantiques utilisent des bits ou des qubits quantiques qui existent dans plusieurs états simultanément en raison d’un principe physique quantique appelé superposition. Cela permet d’effectuer des calculs complexes beaucoup plus efficacement que par les ordinateurs classiques.

Les propriétés électroniques et magnétiques spécifiques du matériau développé par les chercheurs peuvent aider à créer des états quantiques très inhabituels et pourtant stables, qui sont essentiels pour l’informatique quantique.

Lorsque la technologie quantique devient pratique, elle aura un impact significatif sur la vie ordinaire en révolutionnant la découverte de médicaments et la recherche médicale, améliorant considérablement les opérations, la prévisibilité et les économies de coûts en finance, logistique et fabrication. Il devrait également révolutionner les algorithmes d’apprentissage automatique, ce qui rend les systèmes d’intelligence artificielle plus puissants, ont déclaré les scientifiques.