Lorsqu'il s'agit de comprendre pleinement les secrets cachés des matériaux quantiques, il en faut un pour en connaître un, les scientifiques disent :seuls les outils qui fonctionnent également sur des principes quantiques peuvent nous y amener.

Un nouveau centre de recherche du ministère de l'Énergie se concentrera sur le développement de ces outils. Basé à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, le Center for Quantum Sensing and Quantum Materials rassemble des experts de l'UIUC, Laboratoire national des accélérateurs SLAC du DOE, Université de Stanford et Université de l'Illinois-Chicago.

Ils travailleront au développement de trois dispositifs de détection quantique de pointe :un microscope à balayage qubit, un instrument de spectroscopie qui tire parti des paires d'électrons intriqués et un autre instrument qui sondera les matériaux avec des paires de photons du laser à rayons X à électrons libres du SLAC, la source de lumière cohérente Linac, qui a récemment rouvert après une mise à niveau.

Ces nouvelles techniques permettront aux chercheurs de voir plus en détail pourquoi les matériaux quantiques font les choses étranges qu'ils font, ouvrant la voie à la découverte de nouveaux matériaux quantiques et à l'invention de sondes encore plus sensibles de leur comportement.

Le travail se concentrera sur la compréhension des processus au niveau atomique derrière les supraconducteurs non conventionnels qui conduisent l'électricité sans résistance à des températures relativement élevées ; isolants topologiques, qui transportent le courant sans perte le long de leurs bords ; et des métaux étranges, qui sont supraconducteurs lorsqu'ils sont refroidis mais ont des propriétés étranges à des températures plus élevées.

"Ce qui est passionnant, c'est que ce centre nous donne l'opportunité de créer de très nouvelles techniques de mesure quantique pour étudier les matériaux quantiques pertinents pour l'énergie, " directeur du centre Peter Abbamonte, professeur de physique à l'UIUC, dit dans un communiqué de presse.

« Nous sommes souvent piégés dans le cycle de l'utilisation des mêmes anciennes mesures, non pas parce que nous n'avons pas besoin de nouveaux types d'informations ou de connaissances, mais parce que le développement de techniques est coûteux et prend du temps, " a déclaré Abbamonte. Le nouveau centre, il a dit, permettra aux scientifiques de repousser les limites de la mesure quantique en s'attaquant à des problèmes plus importants.

États exotiques enchevêtrés

Les matériaux quantiques tirent leur nom du fait que leurs propriétés exotiques découlent du comportement coopératif des électrons et d'autres phénomènes qui obéissent aux règles de la mécanique quantique, plutôt que les lois physiques newtoniennes familières qui régissent notre monde quotidien. Ces matériaux pourraient éventuellement avoir un impact énorme sur les futures technologies énergétiques, par exemple, en permettant aux gens de transmettre de l'énergie pratiquement sans perte sur de longues distances et en rendant les transports beaucoup plus éconergétiques.

Mais un matériau quantique peut contenir un mélange déconcertant d'exotisme, chevauchements d'états de la matière difficiles à démêler avec des outils conventionnels.

"Dans le monde quantique tout s'emmêle, ainsi les limites d'un objet commencent à se chevaucher avec les limites d'un autre, " a déclaré le professeur Thomas Devereaux du SLAC, l'un des six chercheurs du SLAC et de Stanford collaborant dans le nouveau centre. "Nous allons sonder cet enchevêtrement à l'aide de divers outils et techniques."

Les capteurs quantiques ne sont pas nouveaux. Ils comprennent des dispositifs supraconducteurs d'interférence quantique, ou SQUID, inventé il y a un demi-siècle pour détecter des champs magnétiques extrêmement petits, et des capteurs de bord de transition supraconducteurs, qui incorporent des SQUIDS pour détecter des signaux extrêmement petits en astronomie, non-prolifération nucléaire, l'analyse des matériaux et la défense du territoire.

A un niveau basique, ils fonctionnent en mettant le capteur dans un état quantique connu et en lui permettant d'interagir avec l'objet d'intérêt. L'interaction change l'état du système quantique, et la mesure du nouvel état du système révèle des informations sur l'objet qui ne pourraient pas être obtenues avec des approches conventionnelles.

Qubits sur un pourboire

Dans l'une des technologies en cours de développement, le microscope à balayage qubit, le capteur quantique consisterait en un ou plusieurs qubits placés sur la pointe d'une sonde et déplacés sur la surface d'un matériau. Un qubit est une unité de base d'information quantique, comme les bits de la mémoire d'un ordinateur ordinaire qui basculent entre zéro et 1. Mais un qubit existe en tant que superposition des états zéro et 1 à la fois. Le qubit du scanner peut consister en un seul atome d'hydrogène, par exemple, avec le spin de son électron unique existant simultanément en haut, vers le bas et tous les états possibles entre les deux.

"Vous pouvez essayer d'entremêler le capteur qubit avec l'état quantique du matériau que vous étudiez afin que vous puissiez réellement sentir l'enchevêtrement des états quantiques dans le matériau, " a déclaré Catherine Moler, Vice-provost et doyen de la recherche de Stanford. « Si nous pouvons le faire, ce sera vraiment cool."