La réalisation expérimentale du graphène ultrafin - qui a valu à deux scientifiques de Cambridge le prix Nobel de physique en 2010 - a inauguré une nouvelle ère dans la recherche sur les matériaux.

Ce qui a commencé avec le graphène a évolué pour inclure de nombreux matériaux liés à un seul atome d'épaisseur, qui ont des propriétés inhabituelles en raison de leur ultra-minceur. Parmi eux se trouvent les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), matériaux qui offrent plusieurs caractéristiques clés non disponibles dans le graphène et émergent comme semi-conducteurs de nouvelle génération.

Les TMD pourraient réaliser une supraconductivité topologique et fournir ainsi une plate-forme pour l'informatique quantique - l'objectif ultime d'un groupe de recherche Cornell dirigé par Eun-Ah Kim, professeur agrégé de physique.

"Notre proposition est très réaliste - c'est pourquoi c'est excitant, " Kim a déclaré à propos des recherches de son groupe. "Nous avons une stratégie théorique pour matérialiser un supraconducteur topologique... et ce sera une étape vers la construction d'un ordinateur quantique. L'histoire de la supraconductivité au cours des 100 dernières années a été menée par des découvertes accidentelles. Nous avons une proposition qui repose sur des principes fermes.

"Au lieu d'espérer un nouveau matériau qui a les propriétés que vous voulez, " elle a dit, "Allons-y avec perspicacité et principe de conception."

Yi-Ting Hsu, doctorant dans le Groupe Kim, est l'auteur principal de "Topological supraconductivity in monolayer transition metal dichalcogenides, " publié le 11 avril dans Communication Nature . Les autres membres de l'équipe incluent Mark Fischer, ancien du groupe Kim, maintenant à l'ETH Zurich en Suisse, et Abolhassan Vaezi, maintenant à l'Université de Stanford.

La proposition du groupe :Les propriétés inhabituelles des TMD favorisent deux états supraconducteurs topologiques, lequel, si confirmé expérimentalement, ouvrira des possibilités de manipulation de supraconducteurs topologiques à des températures proches du zéro absolu.

Kim a identifié les TMD monocouches dopés par des trous (à charge positive renforcée) comme un candidat prometteur pour la supraconductivité topologique, basé sur le verrouillage spécial connu entre l'état de spin et l'énergie cinétique des électrons (verrouillage de la vallée de spin) des TMD monocouches, ainsi que les récentes observations de la supraconductivité dans les TMD monocouches dopés aux électrons (à charge négative renforcée).

L'objectif du groupe est un supraconducteur qui fonctionne à environ 1 degré Kelvin (environ moins 457 Fahrenheit), qui pourrait être suffisamment refroidi avec de l'hélium liquide pour maintenir le potentiel de calcul quantique dans un état supraconducteur.

Théoriquement, abriter un ordinateur quantique suffisamment puissant pour justifier la puissance nécessaire pour maintenir le supraconducteur à 1 degré Kelvin n'est pas hors de question, dit Kim. En réalité, IBM dispose déjà d'un ordinateur à 7 qubits (bit quantique), qui fonctionne à moins de 1 Kelvin, disponible au public via son IBM Quantum Experience.

Un ordinateur quantique avec environ six fois plus de qubits changerait fondamentalement l'informatique, dit Kim.

"Si vous arrivez à 40 qubits, que la puissance de calcul dépassera tous les ordinateurs classiques, " a-t-elle dit. " Et héberger un [ordinateur quantique] de 40 qubits à température cryogénique n'est pas si grave. Ce sera une révolution."

Kim et son groupe travaillent avec Debdeep Jena et Grace Xing en génie électrique et informatique, et Katja Nowack de la physique, grâce à une subvention de démarrage d'un groupe de recherche interdisciplinaire du Cornell Center for Materials Research. Chaque groupe rassemble des chercheurs de différents départements, avec le soutien de l'université et du programme Materials Research Science and Engineering Centers de la National Science Foundation.

"Nous combinons l'expertise en ingénierie de DJ et Grace, et l'expertise de Katja dans les systèmes mésoscopiques et supraconducteurs, " Kim a déclaré. " Il faut différentes expertises pour se réunir pour poursuivre ce, et le CCMR le permet."