Déplacez-vous sur Godzilla contre King Kong - c'est l'événement croisé que vous attendiez. Bien, du moins si vous êtes un physicien de la matière condensée. Des chercheurs de l'Université Harvard ont mis en évidence le premier matériau pouvant avoir à la fois des interactions électroniques fortement corrélées et des propriétés topologiques. Pas tout à fait sûr de ce que cela signifie? Ne t'inquiète pas, nous allons vous guider. Tout ce que vous devez savoir maintenant, c'est que cette découverte ouvre non seulement la voie à une informatique quantique plus stable, mais également à une toute nouvelle plate-forme pour explorer le monde sauvage de la physique exotique.

La recherche a été publiée dans Physique de la nature .

Commençons par les bases. Les isolants topologiques sont des matériaux qui peuvent conduire l'électricité sur leur surface ou leur bord mais pas au milieu. La chose étrange à propos de ces matériaux est que peu importe comment vous les coupez, la surface sera toujours conductrice et le milieu toujours isolant. Ces matériaux offrent un terrain de jeu pour la physique fondamentale mais sont également prometteurs pour un certain nombre d'applications dans des types particuliers d'électronique et d'informatique quantique.

Depuis la découverte des isolants topologiques, des chercheurs du monde entier se sont efforcés d'identifier des matériaux dotés de ces propriétés puissantes.

"Un récent boom de la physique de la matière condensée est venu de la découverte de matériaux aux propriétés topologiquement protégées, " dit Harris Pirie, un étudiant diplômé du Département de physique et premier auteur de l'article.

Un matériau potentiel, hexaborure de samarium, est au centre d'un débat acharné parmi les physiciens de la matière condensée depuis plus d'une décennie. La question centrale :est-ce ou non un isolant topologique ?

« Au cours des dix dernières années, un tas de papiers sont sortis disant oui et un tas de papiers sont sortis disant non, " a déclaré Pirie. " Le nœud du problème est que la plupart des matériaux topologiques n'ont pas d'électrons en interaction forte, ce qui signifie que les électrons se déplacent trop rapidement pour se sentir. Mais l'hexaborure de samarium le fait, ce qui signifie que les électrons à l'intérieur de ce matériau ralentissent suffisamment pour interagir fortement. Dans ce royaume, la théorie devient assez spéculative et il n'est pas clair s'il est possible ou non que des matériaux ayant des propriétés fortement interactives soient également topologiques. En tant qu'expérimentateurs, nous avons fonctionné en grande partie à l'aveugle avec des matériaux comme celui-ci."

Afin de trancher le débat et de comprendre, une fois pour toutes, s'il est possible ou non d'avoir à la fois des propriétés topologiques et interagissant fortement, les chercheurs devaient d'abord trouver une zone bien ordonnée de surface d'hexaborure de samarium sur laquelle effectuer l'expérience.

Ce n'était pas une tâche facile, considérant que la majorité de la surface du matériau est escarpée, désordre désordonné. Les chercheurs ont utilisé des outils de mesure de très haute précision développés dans le laboratoire de Jenny Hoffman, le professeur de science Clowes et auteur principal de l'article, pour trouver un endroit convenable, patch à l'échelle atomique d'hexaborure de samarium.

Prochain, l'équipe a cherché à déterminer si le matériau était topologiquement isolant en envoyant des vagues d'électrons à travers le matériau et en les dispersant des défauts atomiques, comme faire tomber un caillou dans un étang. En observant les vagues, les chercheurs ont pu déterminer la quantité de mouvement des électrons par rapport à leur énergie.

"Nous avons constaté que la quantité de mouvement des électrons est directement proportionnelle à leur énergie, qui est le canon fumant d'un isolant topologique, " a déclaré Pirie. " C'est vraiment excitant d'entrer enfin dans cette intersection de la physique en interaction et de la physique topologique. Nous ne savons pas ce que nous allons trouver ici."

En ce qui concerne l'informatique quantique, les matériaux topologiques en interaction forte peuvent être capables de protéger les qubits de l'oubli de leur état quantique, un processus appelé décohérence.

"Si nous pouvions coder l'information quantique dans un état topologiquement protégé, il est moins sensible aux bruits extérieurs qui peuvent basculer accidentellement le qubit, " a déclaré Hoffman. " Microsoft dispose déjà d'une grande équipe poursuivant le calcul quantique topologique dans les matériaux composites et les nanostructures. Notre travail démontre une première dans un matériau topologique unique qui exploite de fortes interactions électroniques qui pourraient éventuellement être utilisées pour l'informatique quantique topologique. »

"La prochaine étape consistera à utiliser la combinaison d'états quantiques protégés topologiquement et d'interactions fortes pour concevoir de nouveaux états quantiques de la matière, comme les supraconducteurs topologiques, " a déclaré Dirk Morr, Professeur de physique à l'Université de l'Illinois à Chicago et théoricien principal sur le papier. "Leurs propriétés extraordinaires pourraient ouvrir des possibilités sans précédent pour la mise en œuvre de bits quantiques topologiques."

Cette recherche a été co-écrite par Yu Liu, Anjan Soumyanarayanan, Pengcheng Chen, Yang He, M. M. Yee, P.F.S. Rosa, J.D. Thompson, Dae Jeong Kim, Z. Fisk, Xiangfeng Wang, Johnpierre Paglione, et M.H. Hamidian.

Les mesures électroniques à Harvard et la croissance des cristaux d'hexaborure de samarium à l'UC Irvine ont été soutenues par la National Science Foundation. La croissance cristalline à l'Université du Maryland a été soutenue par la Fondation Gordon &Betty Moore. Les mesures magnétiques au Los Alamos National Lab et les travaux théoriques à l'Université de l'Illinois ont été soutenus par le ministère de l'Énergie.