Les scientifiques du laboratoire Ames, Laboratoire national de Brookhaven, et l'Université de l'Alabama à Birmingham ont découvert un mécanisme de commutation induit par la lumière dans un semi-métal Dirac. Le mécanisme établit une nouvelle façon de contrôler le matériel topologique, entraîné par le mouvement de va-et-vient des atomes et des électrons, qui permettra le transistor topologique et le calcul quantique utilisant des ondes lumineuses.

Tout comme les transistors et les photodiodes d'aujourd'hui ont remplacé les tubes à vide il y a plus d'un demi-siècle, les scientifiques recherchent un bond en avant similaire dans les principes de conception et les nouveaux matériaux afin d'atteindre des capacités d'informatique quantique. La capacité de calcul actuelle est confrontée à d'énormes défis en termes de complexité, consommation d'énergie, et la vitesse ; dépasser les limites physiques atteintes à mesure que l'électronique et les puces deviennent plus chaudes et plus rapides, des avancées plus importantes sont nécessaires. Surtout à petite échelle, ces problèmes sont devenus des obstacles majeurs à l'amélioration des performances.

"L'ingénierie topologique des ondes lumineuses cherche à surmonter tous ces défis en entraînant un mouvement périodique quantique pour guider les électrons et les atomes via de nouveaux degrés de liberté, c'est à dire., topologie, et induisent des transitions sans échauffement à des fréquences térahertz inédites, défini comme mille milliards de cycles par seconde, taux d'horloge, " a déclaré Jigang Wang, chercheur principal au laboratoire Ames et professeur de physique à l'Iowa State University. "Ce nouveau principe de contrôle cohérent contraste fortement avec toutes les méthodes de réglage d'équilibre utilisées jusqu'à présent, comme électrique, champs magnétiques et de déformation, qui ont des vitesses beaucoup plus lentes et des pertes d'énergie plus élevées."

Adoption à grande échelle de nouveaux principes de calcul, comme l'informatique quantique, nécessite de construire des dispositifs dans lesquels les états quantiques fragiles sont protégés de leurs environnements bruyants. Une approche consiste à développer le calcul quantique topologique, dans lequel les qubits sont basés sur des quasiparticules "protégées par la symétrie" qui sont immunisées contre le bruit.

Cependant, Les scientifiques qui étudient ces matériaux topologiques sont confrontés à un défi :comment établir et maintenir le contrôle de ces comportements quantiques uniques de manière à rendre possibles des applications telles que l'informatique quantique. Dans cette expérience, Wang et ses collègues ont démontré ce contrôle en utilisant la lumière pour orienter les états quantiques dans un semi-métal de Dirac, un matériau exotique qui présente une sensibilité extrême en raison de sa proximité avec un large éventail de phases topologiques.

"Nous y sommes parvenus en appliquant un nouveau principe de contrôle quantique de la lumière connu sous le nom d'oscillations cohérentes de phonons Raman à sélection de mode - entraînant des mouvements périodiques d'atomes autour de la position d'équilibre à l'aide de courtes impulsions lumineuses, " dit Ilias Perakis, professeur de physique et chaire à l'Université d'Alabama à Birmingham. "Ces fluctuations quantiques induites induisent des transitions entre des états électroniques avec des écarts et des ordres topologiques différents."

Une analogie de ce type de commutation dynamique est le pendule de Kapitza entraîné périodiquement, qui peut passer à une position inversée mais stable lorsqu'une vibration à haute fréquence est appliquée. Les travaux du chercheur montrent que ce principe de contrôle classique, qui conduit les matériaux à un nouvel état stable qu'on ne trouve pas normalement, est étonnamment applicable à un large éventail de phases topologiques et de transitions de phases quantiques.

"Nos travaux ouvrent une nouvelle arène de l'électronique topologique des ondes lumineuses et des transitions de phase contrôlées par la cohérence quantique, " dit Qiang Li, Chef de groupe du groupe Advanced Energy Materials du Brookhaven National Laboratory. "Cela sera utile dans le développement de futures stratégies d'informatique quantique et d'électronique à haute vitesse et à faible consommation d'énergie."

La spectroscopie et l'analyse des données ont été réalisées au laboratoire Ames. La construction et l'analyse du modèle ont été partiellement réalisées à l'Université de l'Alabama, Birmingham. Le développement des échantillons et les mesures de magnétotransport ont été effectués au Brookhaven National Laboratory. Les calculs fonctionnels de densité ont été soutenus par le Center for the Advancement of Topological Semimetals, un centre de recherche DOE Energy Frontier au laboratoire Ames.

La recherche est discutée plus en détail dans le document, "La cohérence Raman induite par la lumière en tant que voie non thermique vers une commutation de topologie ultrarapide dans un semi-métal Dirac, " rédigé par C. Vaswani, LL. Wang, D.H. Mudiyanselage, Q. Li, P.M. Lozano, G. Gu, D. Cheng, B. Chanson, L. Luo, R.H.J. Kim, C. Huang, Z. Liu, M. Mootz, C'EST À DIRE. Perakis, Y. Yao, K. M. Ho, et J. Wang; et publié dans Examen physique X .