Les ordinateurs quantiques promettent d'effectuer des opérations d'une grande importance considérées comme impossibles pour notre technologie actuelle. Les ordinateurs actuels traitent l'information via des transistors transportant l'une des deux unités d'information, soit un 1 soit un 0. L'informatique quantique est basée sur le comportement de la mécanique quantique de l'unité logique. Chaque unité quantique, ou "qubit, " peut exister dans une superposition quantique plutôt que de prendre des valeurs discrètes. Les plus grands obstacles à l'informatique quantique sont les qubits eux-mêmes.

Les physiciens ont émis l'hypothèse qu'un nouveau type de matériau, appelé isolant topologique (TI) tridimensionnel (3-D), pourrait être un bon candidat pour créer des qubits qui seront résistants à ces erreurs et protégés contre la perte de leurs informations quantiques. Ce matériau a à la fois un intérieur isolant et des surfaces supérieure et inférieure métalliques qui conduisent l'électricité. La propriété la plus importante des isolants topologiques 3-D est que les surfaces conductrices sont prédites pour être protégées de l'influence de l'environnement. Il existe peu d'études qui ont testé expérimentalement le comportement des TI dans la vie réelle.

Une nouvelle étude de l'Université de l'Utah a révélé qu'en fait, lorsque les couches isolantes sont aussi minces que 16 couches atomiques quintuples à travers, les surfaces métalliques supérieure et inférieure commencent à s'influencer et à détruire leurs propriétés métalliques. L'expérience démontre que les surfaces opposées commencent à s'influencer à un intérieur isolant beaucoup plus épais que ce que les études précédentes avaient montré, approchant peut-être d'un phénomène théorique rare dans lequel les surfaces métalliques deviennent également isolantes à mesure que l'intérieur s'amincit.

"Les isolants topologiques pourraient être un matériau important dans l'informatique quantique future. Nos découvertes ont révélé une nouvelle limitation dans ce système, " dit Vikram Deshpande, professeur adjoint de physique à l'Université de l'Utah et auteur correspondant de l'étude. "Les personnes travaillant avec des isolants topologiques doivent savoir quelles sont leurs limites. Il s'avère que lorsque vous approchez de cette limite, lorsque ces surfaces commencent à « parler » entre elles, une nouvelle physique apparaît, ce qui est aussi assez cool en soi."

La nouvelle étude publiée le 16 juillet 2019 dans la revue Lettres d'examen physique .

Sandwichs bâclés construits à partir d'isolants topologiques

Imaginez un manuel à couverture rigide comme isolant topologique 3D, dit Deshpande. La majeure partie du livre sont les pages, qui est une couche isolante, elle ne peut pas conduire l'électricité. Les couvertures rigides elles-mêmes représentent les surfaces métalliques. Il y a dix ans, les physiciens ont découvert que ces surfaces pouvaient conduire l'électricité, et un nouveau champ topologique est né.

Deshpande et son équipe ont créé des dispositifs utilisant des TI 3-D en empilant cinq couches minces de quelques atomes de divers matériaux dans des structures de type sandwich bâclées. Le noyau en vrac du sandwich est l'isolant topologique, composé de quelques quintuples couches de séléniure de tellure de bismuth et d'antimoine (Bi 2 -X Sb X Te 3 -y Sey). Ce noyau est pris en sandwich par quelques couches de nitrure de bore, et est surmonté de deux couches de graphite, ci-dessus et ci-dessous. Le graphite fonctionne comme des grilles métalliques, créant essentiellement deux transistors qui contrôlent la conductivité. L'année dernière, Deshpande a dirigé une étude qui a montré que cette recette topologique construisait un dispositif qui se comportait comme on pourrait s'y attendre :des isolants en vrac qui protègent les surfaces métalliques de l'environnement.

Dans cette étude, ils ont manipulé les appareils TI 3-D pour voir comment les propriétés ont changé. D'abord, ils ont construit des hétérostructures van der Waal - ces sandwichs bâclés - et les ont exposés à un champ magnétique. L'équipe de Deshpande en a testé plusieurs dans son laboratoire de l'Université de l'Utah et le premier auteur Su Kong Chong, doctorant à l'U, s'est rendu au National High Magnetic Field Lab à Tallahassee pour y effectuer les mêmes expériences en utilisant l'un des champs magnétiques les plus élevés du pays. En présence du champ magnétique, un motif en damier émerge des surfaces métalliques, montrant les voies par lesquelles le courant électrique se déplacera à la surface. Les damiers, constitué de conductivités quantifiées en fonction des tensions sur les deux grilles, sont bien définis, avec la grille se coupant aux points d'intersection nets, permettant aux chercheurs de suivre toute distorsion à la surface.

Ils ont commencé avec la couche isolante à 100 nanomètres d'épaisseur, environ un millième du diamètre d'un cheveu humain, et s'amincit progressivement jusqu'à 10 nanomètres. Le motif a commencé à se déformer jusqu'à ce que la couche isolante ait une épaisseur de 16 nanomètres, lorsque les points d'intersection ont commencé à se séparer, créant un espace qui indiquait que les surfaces n'étaient plus conductrices.

"Essentiellement, nous avons transformé quelque chose de métallique en quelque chose d'isolant dans cet espace de paramètres. Le point de cette expérience est que nous pouvons modifier de manière contrôlée l'interaction entre ces surfaces, " a déclaré Deshpande. " Nous commençons par être complètement indépendants et métalliques, puis commencez à les rapprocher de plus en plus jusqu'à ce qu'ils commencent à parler, ' et quand ils sont vraiment proches, ils sont essentiellement béants et deviennent isolants.

Des expériences précédentes en 2010 et 2012 avaient également observé l'écart énergétique sur les surfaces métalliques à mesure que le matériau isolant s'amincit. Mais ces études ont conclu que l'écart énergétique est apparu avec des couches isolantes beaucoup plus minces, de cinq nanomètres. Cette étude a observé que les propriétés de la surface métallique se décomposent à une épaisseur intérieure beaucoup plus grande, jusqu'à 16 nanomètres. Les autres expériences ont utilisé différentes méthodes de "science des surfaces" où ils ont observé les matériaux à l'aide d'un microscope avec une pointe métallique très pointue pour regarder chaque atome individuellement ou les ont étudiés avec une lumière hautement énergétique.

"Il s'agissait d'expériences extrêmement complexes qui sont assez éloignées de la création d'appareils que nous faisons, " dit Deshpande.

Prochain, Deshpande et l'équipe examineront de plus près la physique créant cet écart énergétique sur les surfaces. Il prédit que ces écarts peuvent être positifs ou négatifs selon l'épaisseur du matériau.