Un matériau potentiellement utile pour la construction d'ordinateurs quantiques a été découvert au National Institute of Standards and Technology (NIST), dont les scientifiques ont trouvé un supraconducteur qui pourrait contourner l'un des principaux obstacles se dressant sur la voie des circuits de logique quantique efficaces.

Propriétés nouvellement découvertes dans le composé ditellurure d'uranium, ou UTe 2 , montrer qu'il pourrait s'avérer très résistant à l'un des ennemis du développement de l'informatique quantique - la difficulté de fabriquer les commutateurs de stockage de mémoire d'un tel ordinateur, appelés qubits, fonctionner suffisamment longtemps pour terminer un calcul avant de perdre la relation physique délicate qui leur permet de fonctionner en groupe. Cette relation, appelée cohérence quantique, est difficile à maintenir en raison des perturbations du monde environnant.

La résistance inhabituelle et forte du composé aux champs magnétiques en fait un oiseau rare parmi les matériaux supraconducteurs (SC), qui offrent des avantages distincts pour la conception de qubit, principalement leur résistance aux erreurs qui peuvent facilement se glisser dans le calcul quantique. UTe 2 les comportements exceptionnels de pourraient le rendre attractif pour l'industrie informatique quantique naissante, selon Nick Butch de l'équipe de recherche.

"C'est potentiellement le silicium de l'ère de l'information quantique, " dit Butch, un physicien au NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Vous pourriez utiliser le ditellurure d'uranium pour construire les qubits d'un ordinateur quantique efficace."

Résultats de recherche de l'équipe, qui comprend également des scientifiques de l'Université du Maryland et du laboratoire Ames, paraissent aujourd'hui dans le journal Science . Leur papier détaille l'UTe 2 propriétés rares de , qui sont intéressantes du point de vue à la fois de l'application technologique et de la science fondamentale.

L'un d'eux est la façon inhabituelle dont les électrons conduisent l'électricité à travers l'UTe 2 associer. En fil de cuivre ou un autre conducteur ordinaire, les électrons voyagent sous forme de particules individuelles, mais dans tous les SC, ils forment ce qu'on appelle des paires de Cooper. Les interactions électromagnétiques qui provoquent ces appariements sont responsables de la supraconductivité du matériau. L'explication de ce type de supraconductivité est nommée théorie BCS d'après les trois scientifiques qui ont découvert les appariements (et ont partagé le prix Nobel pour l'avoir fait).

Ce qui est particulièrement important pour cet appariement de Cooper, c'est une propriété que possèdent tous les électrons. Connu sous le nom de "spin quantique, " cela fait que les électrons se comportent comme s'ils avaient chacun un petit aimant en forme de barre qui les traverse. Dans la plupart des SC, les électrons appariés ont leurs spins quantiques orientés d'une seule manière - un électron pointe vers le haut, tandis que son partenaire pointe vers le bas. Cet appariement opposé s'appelle un singulet de spin.

Un petit nombre de supraconducteurs connus, bien que, sont des non-conformistes, et UTe 2 semble être parmi eux. Leurs paires de Cooper peuvent avoir leurs rotations orientées dans l'une des trois combinaisons, en les faisant tourner des triplés. Ces combinaisons permettent aux spins de la paire de Cooper d'être orientés en parallèle plutôt qu'en opposition. La plupart des SC de spin-triplets devraient également être des SC « topologiques », avec une propriété très utile dans laquelle la supraconductivité se produirait à la surface du matériau et resterait supraconductrice même face à des perturbations externes.

"Ces paires de spins parallèles pourraient aider l'ordinateur à rester fonctionnel, " a déclaré Butch. " Il ne peut pas s'écraser spontanément à cause des fluctuations quantiques. "

Jusqu'à présent, tous les ordinateurs quantiques avaient besoin d'un moyen de corriger les erreurs qui se glissent dans leur environnement. Les SC ont longtemps été considérés comme ayant des avantages généraux en tant que base des composants informatiques quantiques, et plusieurs avancées commerciales récentes dans le développement d'ordinateurs quantiques ont impliqué des circuits fabriqués à partir de supraconducteurs. Les propriétés d'un SC topologique, qu'un ordinateur quantique pourrait utiliser, auraient l'avantage supplémentaire de ne pas nécessiter de correction d'erreur quantique.

« Nous voulons un SC topologique car il vous donnerait des qubits sans erreur. Ils pourraient avoir des durées de vie très longues, " Butch a déclaré. "Les SC topologiques sont une voie alternative à l'informatique quantique, car ils protégeraient le qubit de l'environnement."

L'équipe est tombée sur UTe 2 tout en explorant des aimants à base d'uranium, dont les propriétés électroniques peuvent être ajustées à volonté en modifiant leur chimie, pression ou champ magnétique—une fonctionnalité utile à avoir lorsque vous voulez des matériaux personnalisables. (Aucun de ces paramètres n'est basé sur la radioactivité. Le matériau contient « de l'uranium appauvri, " qui n'est que légèrement radioactif. Qubits fabriqués à partir d'UTe 2 serait minuscule, et ils pourraient facilement être protégés de leur environnement par le reste de l'ordinateur.)

L'équipe ne s'attendait pas à ce que le composé possède les propriétés qu'ils ont découvertes.

"UTe 2 avait été créé dans les années 1970, et même des articles de recherche assez récents l'ont décrit comme banal, " Butch a déclaré. "Nous sommes arrivés à faire de l'UTe 2 pendant que nous synthétisions des matériaux connexes, nous l'avons donc testé à des températures plus basses pour voir si un phénomène n'avait peut-être pas été négligé. On s'est vite rendu compte qu'on avait quelque chose de très spécial entre les mains."

L'équipe du NIST a commencé à explorer UTe 2 avec des outils spécialisés à la fois au NCNR et à l'Université du Maryland. Ils ont vu qu'il devenait supraconducteur à basse température (inférieure à -271,5 degrés Celsius, ou 1,6 kelvin). Ses propriétés supraconductrices ressemblaient à celles de rares supraconducteurs qui sont également simultanément ferromagnétiques, agissant comme des aimants permanents à basse température. Encore, avec curiosité, UTe 2 n'est lui-même pas ferromagnétique.

"Cela fait de l'UTe 2 fondamentalement nouveau pour cette seule raison, ", a déclaré Butch.

Il est également très résistant aux champs magnétiques. Typiquement, un champ détruira la supraconductivité, mais selon la direction dans laquelle le champ est appliqué, UTe 2 peut résister à des champs aussi élevés que 35 tesla. C'est 3, 500 fois plus puissant qu'un aimant de réfrigérateur classique, et bien plus que la plupart des SC topologiques à basse température ne peuvent en supporter.

Bien que l'équipe n'ait pas encore prouvé de façon concluante que l'UTe 2 est un SC topologique, Butch dit que cette résistance inhabituelle aux champs magnétiques puissants signifie qu'il doit s'agir d'un spin-triplet SC, et par conséquent, il s'agit probablement également d'un SC topologique. Cette résistance pourrait également aider les scientifiques à comprendre la nature de l'UTe 2 et peut-être la supraconductivité elle-même.

"L'explorer plus avant pourrait nous donner un aperçu de ce qui stabilise ces SC à spin parallèle, " a-t-il déclaré. " L'un des principaux objectifs de la recherche SC est d'être capable de comprendre suffisamment bien la supraconductivité pour savoir où chercher des matériaux SC non découverts. Pour le moment, nous ne pouvons pas le faire. Qu'en est-il d'eux est essentiel? Nous espérons que ce matériel nous en dira plus."

L'étude est publiée dans la revue Science .