Les progrès récents réalisés par Joseph Orenstein, Yue Sun, Jie Yao et Fanghao Meng, chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ont montré le potentiel des paquets d'ondes magnon (excitations collectives du spin électronique) pour transporter des informations quantiques sur des distances substantielles dans une classe de matériaux connus sous le nom d'antiferromagnétiques.

Leurs travaux bouleversent la compréhension conventionnelle de la façon dont de telles excitations se propagent dans les antiferromagnétiques. L'ère à venir des technologies quantiques (ordinateurs, capteurs et autres appareils) dépend de la transmission fidèle d'informations quantiques à distance.

Avec leur découverte, rapportée dans un article publié dans Nature Physics , Orenstein et ses collègues espèrent avoir fait un pas de plus vers ces objectifs. Leurs recherches s'inscrivent dans le cadre d'efforts plus larges du Berkeley Lab visant à faire progresser l'information quantique en travaillant dans l'écosystème de la recherche quantique, de la théorie à l'application, pour fabriquer et tester des dispositifs quantiques et développer des logiciels et des algorithmes.

Les spins électroniques sont responsables du magnétisme des matériaux et peuvent être considérés comme de minuscules barres magnétiques. Lorsque les spins voisins sont orientés dans des directions alternées, le résultat est un ordre antiferromagnétique et l'arrangement ne produit aucune magnétisation nette.

Pour comprendre comment les paquets d'ondes magnon se déplacent à travers un matériau antiferromagnétique, le groupe d'Orenstein a utilisé des paires d'impulsions laser pour perturber l'ordre antiferromagnétique à un endroit tout en sondant à un autre endroit, donnant ainsi des instantanés de leur propagation. Ces images ont révélé que les paquets d'ondes magnon se propagent dans toutes les directions, comme les ondulations sur un étang causées par un caillou laissé tomber.

L’équipe du Berkeley Lab a également montré que les paquets d’ondes magnon dans l’antiferromagnétique CrSBr (bromure de sulfure de chrome) se propagent plus rapidement et sur des distances plus longues que ne le prédiraient les modèles existants. Les modèles supposent que chaque spin électronique se couple uniquement à ses voisins. Une analogie est un système de sphères reliées aux voisins proches par des ressorts ; déplacer une sphère de sa position préférée produit une vague de déplacement qui se propage avec le temps.

Étonnamment, de telles interactions prédisent une vitesse de propagation qui est de plusieurs ordres de grandeur plus lente que celle réellement observée par l'équipe.

"Cependant, rappelez-vous que chaque électron en rotation est comme un petit barreau aimanté. Si nous imaginons remplacer les sphères par de minuscules barres aimantées représentant les électrons en rotation, le tableau change complètement", a déclaré Orenstein. "Maintenant, au lieu d'interactions locales, chaque barre magnétique se couple aux autres dans tout le système via la même interaction à longue portée qui attire un aimant de réfrigérateur vers la porte du réfrigérateur."