De nouvelles recherches sur le bisulfure de tungstène bidimensionnel (WS 2 ) pourrait ouvrir la porte aux avancées de l'informatique quantique.

Dans un article publié le 13 septembre dans Communication Nature , les scientifiques rapportent qu'ils peuvent manipuler les propriétés électroniques de ce matériau ultra-mince de manières qui pourraient être utiles pour coder des données quantiques.

L'étude porte sur le WS 2 les vallées énergétiques, quelle université à Buffalo le physicien Hao Zeng, co-auteur principal de l'article, décrit comme « l'extrema d'énergie locale de la structure électronique dans un solide cristallin ».

Les vallées correspondent à des énergies spécifiques que les électrons peuvent avoir dans un matériau, et la présence d'un électron dans une vallée par rapport à une autre peut être utilisée pour coder des informations. Un électron dans une vallée peut représenter un 1 en code binaire, tandis qu'un électron dans l'autre peut représenter un 0.

La capacité de contrôler où les électrons pourraient être trouvés pourrait conduire à des avancées dans l'informatique quantique, permettant la création de qubits, l'unité de base de l'information quantique. Les qubits ont la mystérieuse qualité de pouvoir exister non seulement dans un état de 1 ou 0, mais dans une "superposition" liée aux deux états.

L'article de Nature Communications marque une étape vers ces technologies futures, démonstration d'une nouvelle méthode de manipulation des états de vallée en WS 2 .

Zeng, Doctorat., professeur de physique à l'UB College of Arts and Sciences, mené le projet avec Athos Petrou, Doctorat., Professeur émérite de physique de l'UB, et Renat Sabirinov, Doctorat., chaire de physique à l'Université du Nebraska Omaha. Les co-auteurs supplémentaires comprenaient Tenzin Norden, étudiants diplômés en physique de l'UB, Chuan Zhao et Peiyao Zhang. La recherche a été financée par la National Science Foundation.

Déplacement des vallées énergétiques du disulfure de tungstène

Le disulfure de tungstène bidimensionnel est une couche unique du matériau de trois atomes d'épaisseur. Dans cette configuration, WS 2 a deux vallées énergétiques, tous deux avec la même énergie.

Des recherches antérieures ont montré que l'application d'un champ magnétique peut déplacer l'énergie des vallées dans des directions opposées, abaisser l'énergie d'une vallée pour la rendre "plus profonde" et plus attrayante pour les électrons, tout en élevant l'énergie de l'autre vallée pour la rendre " moins profonde, " dit Zeng.

"Nous montrons que le décalage de l'énergie des deux vallées peut être agrandi de deux ordres de grandeur si nous plaçons une fine couche de sulfure d'europium magnétique sous le disulfure de tungstène, " dit Zeng. " Lorsque nous appliquons ensuite un champ magnétique de 1 Tesla, nous sommes capables de réaliser un énorme changement dans l'énergie des vallées, équivalent à ce que nous pourrions espérer obtenir en appliquant un champ magnétique d'environ cent Tesla si le sulfure d'europium n'était pas présent.

"La taille de l'effet était très grande - c'était comme utiliser un amplificateur de champ magnétique, " dit Petrou. " C'était tellement surprenant que nous avons dû le vérifier plusieurs fois pour nous assurer que nous ne faisions pas d'erreurs. "

Le résultat final ? La capacité de manipuler et de détecter les électrons dans les vallées est grandement améliorée, qualités qui pourraient faciliter le contrôle des qubits pour l'informatique quantique.

États de la vallée comme qubits pour l'informatique quantique

Comme d'autres formes d'informatique quantique, l'informatique quantique basée sur la vallée s'appuierait sur les qualités originales des particules subatomiques - dans ce cas les électrons - pour effectuer des calculs puissants.

Les électrons se comportent d'une manière qui peut sembler étrange :ils peuvent se trouver à plusieurs endroits à la fois, par exemple. Par conséquent, 1 et 0 ne sont pas les seuls états possibles dans les systèmes qui utilisent des électrons dans les vallées comme qubits. Un qubit peut aussi être dans n'importe quelle superposition de ces états, permettant aux ordinateurs quantiques d'explorer de nombreuses possibilités simultanément, dit Zeng.

"C'est pourquoi l'informatique quantique est si puissante pour certaines tâches spéciales, " dit Zeng. " En raison de la nature probabiliste et aléatoire de l'informatique quantique, il est particulièrement adapté aux applications telles que l'intelligence artificielle, cryptographie, modélisation financière et simulations de mécanique quantique pour concevoir de meilleurs matériaux. Cependant, beaucoup d'obstacles doivent être surmontés, et nous sommes probablement dans de nombreuses années si l'informatique quantique universelle évolutive devient une réalité."

La nouvelle étude s'appuie sur les travaux antérieurs de Zeng et Petrou, dans lequel ils ont utilisé du sulfure d'europium et des champs magnétiques pour modifier l'énergie de deux vallées dans un autre matériau 2D :le diséléniure de tungstène (WSe 2 ).

Bien que WS 2 et WSe 2 sont similaires, ils ont réagi différemment à l'exercice de « division de la vallée ». En WS 2 , la vallée qui est devenue "plus profonde" était analogue à la vallée de WSe 2 qui est devenu « moins profond, " et vice versa, créer des occasions d'explorer comment cette distinction pourrait offrir une flexibilité dans les applications de la technologie.

Une caractéristique que les deux matériaux partagent pourrait bénéficier à l'informatique quantique :dans les deux WS 2 et WSe 2 , les électrons qui peuplent les deux vallées d'énergie ont des spins opposés, une forme de moment cinétique. Bien que ce trait ne soit pas nécessaire pour créer un qubit, il "assure une certaine protection des états quantiques, les rendant plus robustes, " dit Zeng.