Ils sont aussi fins qu'un cheveu, seulement cent mille fois plus minces - les matériaux dits bidimensionnels, constitué d'une seule couche d'atomes, sont en plein essor dans la recherche depuis des années. Ils sont devenus connus d'un public plus large lorsque deux scientifiques russo-britanniques ont reçu le prix Nobel de physique en 2010 pour la découverte du graphène, un bloc de construction de graphite. La particularité de ces matériaux est qu'ils possèdent de nouvelles propriétés qui ne peuvent être expliquées qu'à l'aide des lois de la mécanique quantique et qui peuvent être pertinentes pour des technologies améliorées. Des chercheurs de l'Université de Bonn (Allemagne) ont maintenant utilisé des atomes ultrafroids pour acquérir de nouvelles connaissances sur des phénomènes quantiques jusqu'alors inconnus. Ils ont découvert que les ordres magnétiques entre deux couches minces d'atomes couplés se font concurrence. L'étude a été publiée dans la revue La nature .

Les systèmes quantiques réalisent des états de matière très uniques issus du monde des nanostructures. Ils facilitent une grande variété de nouvelles applications technologiques, par exemple. contribuer au cryptage sécurisé des données, introduire des dispositifs techniques toujours plus petits et plus rapides et même permettre le développement d'un ordinateur quantique. À l'avenir, un tel ordinateur pourrait résoudre des problèmes que les ordinateurs conventionnels ne peuvent résoudre du tout ou seulement sur une longue période de temps.

L'apparition de phénomènes quantiques inhabituels est encore loin d'être entièrement comprise. Pour faire la lumière là-dessus, une équipe de physiciens dirigée par le professeur Michael Köhl du pôle d'excellence Matter and Light for Quantum Computing de l'Université de Bonn utilise des simulateurs quantiques, qui imitent l'interaction de plusieurs particules quantiques, ce qui ne peut pas être fait avec les méthodes conventionnelles. Même les modèles informatiques de pointe ne peuvent pas calculer des processus complexes tels que le magnétisme et l'électricité jusque dans les moindres détails.

Les atomes ultrafroids simulent les solides

Le simulateur utilisé par les scientifiques est constitué d'atomes ultrafroids, ultrafroids car leur température n'est qu'un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. Les atomes sont refroidis à l'aide de lasers et de champs magnétiques. Les atomes sont situés dans des réseaux optiques, c'est-à-dire des ondes stationnaires formées par superposition de faisceaux laser. Par ici, les atomes simulent le comportement des électrons à l'état solide. La configuration expérimentale permet aux scientifiques d'effectuer une grande variété d'expériences sans modifications externes.

Dans le simulateur quantique, les scientifiques ont, pour la première fois, réussi à mesurer les corrélations magnétiques d'exactement deux couches couplées d'un réseau cristallin. « Par la force de ce couplage, nous avons pu faire pivoter la direction dans laquelle le magnétisme se forme de 90 degrés, sans changer le matériau d'aucune autre manière, " premiers auteurs Nicola Wurz et Marcell Gall, doctorants du groupe de recherche de Michael Köhl, Explique.

Pour étudier la distribution des atomes dans le réseau optique, les physiciens ont utilisé un microscope à haute résolution avec lequel ils ont pu mesurer les corrélations magnétiques entre les différentes couches de réseau. De cette façon, ils ont étudié l'ordre magnétique, c'est-à-dire l'alignement mutuel des moments magnétiques atomiques dans l'état solide simulé. Ils ont observé que l'ordre magnétique entre les couches rivalisait avec l'ordre d'origine au sein d'une seule couche, concluant que les couches les plus fortement couplées, les corrélations les plus fortes se forment entre les couches. À la fois, les corrélations au sein des couches individuelles ont été réduites.

Les nouveaux résultats permettent de mieux comprendre le magnétisme se propageant dans les systèmes de couches couplées au niveau microscopique. À l'avenir, les résultats doivent aider à faire des prédictions sur les propriétés des matériaux et à obtenir de nouvelles fonctionnalités des solides, entre autres. Depuis, par exemple, la supraconductivité à haute température est étroitement liée aux couplages magnétiques, les nouvelles découvertes pourraient, à long terme, contribuer au développement de nouvelles technologies basées sur de tels supraconducteurs.

Le pôle d'excellence Matière et lumière pour l'informatique quantique (ML4Q)

Le pôle d'excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) est une coopération de recherche des universités de Cologne, Aix-la-Chapelle et Bonn, ainsi que le Forschungszentrum Jülich. Il est financé dans le cadre de la stratégie d'excellence des gouvernements fédéral et étatiques allemands. L'objectif de ML4Q est de développer de nouvelles architectures de calcul et de mise en réseau utilisant les principes de la mécanique quantique. ML4Q s'appuie sur et étend l'expertise complémentaire dans les trois domaines de recherche clés :la physique du solide, optique quantique, et la science de l'information quantique.

Le pôle d'excellence est intégré au domaine de recherche transdisciplinaire « Blocs de construction de la matière et interactions fondamentales » de l'Université de Bonn. Dans six EMR différentes, des scientifiques d'un large éventail de facultés et de disciplines se réunissent pour travailler sur des sujets de recherche pertinents pour l'avenir.