Physiciens de l'Université de Californie, Irvine et ailleurs ont fabriqué de nouveaux matériaux quantiques bidimensionnels dotés d'attributs électriques et magnétiques révolutionnaires qui pourraient en faire des éléments constitutifs des futurs ordinateurs quantiques et autres appareils électroniques avancés.

Dans trois études distinctes publiées ce mois-ci dans La nature , Avancées scientifiques et Matériaux naturels , Chercheurs de l'UCI et collègues de l'UC Berkeley, Laboratoire national Lawrence Berkeley, Université de Princeton, L'université de Fudan et l'université du Maryland ont exploré la physique derrière les états 2-D de nouveaux matériaux et ont déterminé qu'elles pouvaient pousser les ordinateurs vers de nouveaux sommets de vitesse et de puissance.

Le fil conducteur des articles est que la recherche est menée à des températures extrêmement froides et que les porteurs de signaux dans les trois études ne sont pas des électrons - comme avec les technologies traditionnelles à base de silicium - mais des fermions de Dirac ou de Majorana, particules sans masse qui se déplacent presque à la vitesse de la lumière.

"Finalement, nous pouvons prendre exotique, théories haut de gamme en physique et faire quelque chose d'utile, " a déclaré Jing Xia, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'UCI, un auteur correspondant sur deux des études. "Nous explorons la possibilité de fabriquer des ordinateurs quantiques topologiques [actuellement théoriques] pour les 100 prochaines années."

L'un des principaux défis d'une telle recherche est la manipulation et l'analyse d'échantillons de matériaux minuscules, seulement deux atomes d'épaisseur, plusieurs microns de long et quelques microns de large. Le laboratoire de Xia à l'UCI est équipé d'un microscope interférométrique à fibre optique Sagnac qu'il a construit. (Le seul autre existant est à l'Université de Stanford, assemblé par Xia lorsqu'il y était étudiant diplômé.) L'appelant le microscope magnétique le plus sensible au monde, Xia le compare à un télescope qu'un ornithologue d'Irvine pourrait utiliser pour inspecter l'œil d'un oiseau à New York.

"Cette machine est l'outil de mesure idéal pour ces découvertes, " a déclaré Alex Stern, étudiant diplômé de l'UCI, auteur principal sur deux des articles. "C'est le moyen le plus précis de mesurer optiquement le magnétisme dans un matériau."

Dans une étude à paraître le 24 avril dans La nature , les chercheurs détaillent leur observation - via l'interféromètre de Sagnac - du magnétisme dans un éclat microscopique de tellurure de chrome germanium. Le composé, qu'ils ont créé, a été vue à moins 387 degrés Fahrenheit. La CGT est une cousine du graphène, un film de carbone atomique ultramince. Depuis sa découverte, Le graphène a été considéré comme un remplacement potentiel du silicium dans les ordinateurs et autres appareils de nouvelle génération en raison de la vitesse à laquelle les signaux électroniques glissent sur sa surface presque parfaitement plane.

Mais il y a un hic :certains composants informatiques, tels que les systèmes de mémoire et de stockage, doivent être constitués de matériaux possédant à la fois des propriétés électroniques et magnétiques. Le graphène a le premier mais pas le dernier. La CGT a les deux.

Son laboratoire a également utilisé l'interféromètre de Sagnac pour une étude publiée dans Avancées scientifiques examiner ce qui se passe au moment précis où le bismuth et le nickel sont mis en contact - là encore à très basse température (dans ce cas, moins 452 degrés Fahrenheit). Xia a déclaré que son équipe avait trouvé à l'interface entre les deux métaux "un supraconducteur exotique qui brise la symétrie d'inversion du temps".

« Imaginez que vous remontez le temps et qu'une tasse de thé rouge devienne verte. Cela ne rendrait-il pas ce thé très exotique ? C'est en effet exotique pour les supraconducteurs, " a-t-il dit. " Et c'est la première fois qu'on l'observe dans des matériaux 2D. "

Les porteurs de signaux dans ce supraconducteur 2D sont des fermions de Majorana, qui pourrait être utilisé pour une opération de tressage que les théoriciens considèrent comme vitale pour l'informatique quantique.

"La question est maintenant d'essayer d'y parvenir à des températures normales, ", a déclaré Xia. La troisième étude est prometteuse pour surmonter cet obstacle.

En 2012, Le laboratoire de Xia a livré à la Defense Advanced Research Projects Agency un oscillateur radiofréquence construit autour de l'hexaborure de samarium. La substance est un isolant à l'intérieur mais permet au courant porteur de signal constitué de fermions de Dirac de circuler librement sur sa surface 2D.

À l'aide d'un appareil spécial construit dans le laboratoire de Xia - également l'un des deux seuls au monde - les chercheurs de l'UCI ont appliqué une contrainte de traction à l'échantillon d'hexaborure de samarium et ont démontré dans le Matériaux naturels étudier qu'ils pourraient stabiliser l'état de surface 2-D à moins 27 degrés Fahrenheit.

"Croyez-le ou non, c'est plus chaud que certaines régions du Canada, " Xia a plaisanté. " Ce travail est un grand pas vers le développement de futurs ordinateurs quantiques à presque la température ambiante. "