Scientifiques de l'Université Tsinghua et de l'Institut de physique, Académie chinoise des sciences à Pékin, ont démontré la capacité de contrôler les états de la matière, contrôlant ainsi la résistance interne, au sein de multicouches, semi-conducteurs dopés magnétiquement utilisant l'effet Hall anormal quantique.

L'effet Hall anormal quantique (QAH) se produit dans certains matériaux spécialement conçus dans lesquels les électrons peuvent se déplacer sur une distance millimétrique sans perdre leur énergie. La possibilité d'appliquer cet effet aux appareils permettrait une nouvelle révolution dans l'efficacité énergétique et la vitesse de calcul.

Dans une étude publiée dans la revue Lettres de la physique chinoise , les chercheurs disent avoir fabriqué un matériau artificiel qui pourrait être utilisé pour développer un ordinateur quantique topologique en utilisant l'épitaxie par faisceau moléculaire, une nouvelle technique permettant l'empilement de couches de cristal monomoléculaires, et en exploitant l'effet QAH.

Un ordinateur quantique tire parti de la capacité des particules subatomiques à être dans plusieurs états à la fois, au lieu du binaire un ou zéro vu dans les ordinateurs conventionnels, leur permettant de résoudre certains types de problèmes beaucoup plus efficacement. L'ordinateur quantique topologique serait un pas au-delà de cela. Au lieu de particules physiques, ils utilisent un type spécifique de quasiparticule appelé l'anyon pour coder l'information. Les Anyons se sont avérés très résistants aux erreurs de stockage et de traitement des informations.

"Nous pouvons réaliser des multicouches QAH, ou un empilement de plusieurs couches de réseaux cristallins qui subissent l'effet QAH, avec plusieurs films dopés magnétiquement espacés par des couches isolantes de séléniure de cadmium. Puisque nous le faisons par épitaxie par jet moléculaire, il est facile de contrôler les propriétés de chaque couche pour conduire l'échantillon dans différents états, " dit Ke He, professeur à l'université Tsinghua. Le séléniure de cadmium est une molécule constituée d'un atome de cadmium et d'un atome de sélénium utilisé comme semi-conducteur; un matériau dont les chercheurs peuvent modifier les propriétés conductrices en ajoutant des impuretés.

La capacité de produire des multicouches de cristaux minces permet la prise en sandwich d'un film isolant entre les couches conductrices de l'électricité, empêcher l'interaction indésirable des électrons entre les feuilles, de la même manière que nous essayons d'éviter les croisements de fils dans l'électronique. Ces types de structures sont très intéressants à étudier car ils forcent certains des électrons dans ce qu'on appelle un "état de bord" qui, jusqu'à maintenant, étaient assez difficiles à fabriquer. Cet "état de bord" sert de chemin pour une fraction des électrons à traverser sans aucune résistance. En ayant plusieurs couches empilées les unes sur les autres, l'effet est amplifié en poussant une plus grande fraction des électrons dans cet état.

"En ajustant les épaisseurs des couches QAH et des couches isolantes de séléniure de cadmium, nous pouvons entraîner le système dans un semi-métal magnétique Weyl, un état de la matière qui jusqu'à présent n'a jamais été démontré de manière convaincante dans les matériaux naturels."

Un semi-métal de Weyl est un état exotique de la matière classé comme un cristal à l'état solide qui, observé pour la première fois en juillet 2015. Il conduit l'électricité en utilisant les fermions de Weyl sans masse plutôt que des électrons. Cette différence de masse significative entre les fermions de Weyl et les électrons permet à l'électricité de circuler plus efficacement dans les circuits, permettant des appareils plus rapides.

"Maintenant, ce qui m'intéresse le plus, c'est de construire des bicouches QAH contrôlables indépendamment. Si nous pouvions obtenir une paire d'états de bord contra-propagatifs, en mettant un contact supraconducteur sur le bord de l'échantillon, les deux états de bord pourraient se lier en raison du contact supraconducteur, menant aux modes Majorana qui peuvent être utilisés pour construire un ordinateur quantique topologique. »

On pense que les modes Majorana sont utilisables dans le code de correction d'erreur quantique, une propriété unique aux ordinateurs quantiques topologiques, et une partie essentielle de la théorie de l'information utilisée pour réduire les erreurs naturelles dans la transmission de données et pour contrer les effets des interférences. Ce processus pourrait également offrir la possibilité de traiter l'information quantique et de la stocker plus efficacement à l'avenir.