Une équipe de scientifiques a développé une méthode qui exploite la structure de la lumière pour modifier et modifier les propriétés des matériaux quantiques. Leurs résultats, publiés aujourd'hui dans Nature , ouvrent la voie aux progrès de l'électronique quantique, de l'informatique quantique et des technologies de l'information de nouvelle génération.
L'équipe, dirigée par des chercheurs du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie et de l'université de Stanford, a appliqué cette méthode à un matériau connu sous le nom de nitrure de bore hexagonal (hBN), une seule couche d'atomes disposés en nid d'abeille avec des propriétés qui le rendent unique. adapté à la manipulation quantique. Dans leurs expériences, les scientifiques ont utilisé un type spécial de lumière, dont le champ électrique ressemble à un trèfle, pour modifier et contrôler le comportement du matériau à un niveau quantique à une échelle de temps ultrarapide.
La façon dont l'onde lumineuse est tordue permet également aux chercheurs de contrôler avec précision les propriétés quantiques du matériau, des règles qui déterminent le comportement des électrons, essentiels à l'électricité et au flux de données. Cette capacité à contrôler les propriétés quantiques à la demande pourrait ouvrir la voie à la création de commutateurs quantiques ultrarapides pour les technologies futures.
"Notre travail revient à trouver une nouvelle façon de communiquer avec le monde quantique et de l'amener à nous révéler ses secrets", a déclaré Shubhadeep Biswas, un scientifique du SLAC et de l'Université de Stanford qui a dirigé la recherche.
Les techniques traditionnelles nécessitent souvent que la lumière ait la juste énergie pour travailler avec un matériau, une limitation que cette nouvelle approche contourne intelligemment. En utilisant un type spécial de lumière et en adaptant son motif pour qu'il corresponde à celui du matériau, les scientifiques peuvent amener le matériau dans de nouvelles configurations sans être contraints par ses propriétés naturelles.
"Cette lumière structurée n'éclaire pas seulement le matériau; elle s'enroule autour de lui, modifiant ses propriétés quantiques à la demande d'une manière que nous pouvons contrôler", a déclaré Biswas.
Cette flexibilité pourrait permettre à la méthode de fonctionner pour un large éventail d’applications, facilitant ainsi le développement de nouvelles technologies. Essentiellement, l’équipe a créé des conditions dans lesquelles les électrons se déplacent de manière nouvelle et contrôlable. Cela pourrait, par exemple, conduire au développement de commutateurs ultra-rapides pour les ordinateurs quantiques, qui pourraient considérablement surpasser les ordinateurs que nous utilisons aujourd'hui.
Au-delà des résultats immédiats, cette recherche est prometteuse pour des applications futures dans le domaine de la « valléetronique », un domaine qui exploite les propriétés quantiques des électrons résidant dans différentes vallées énergétiques d'un matériau pour le traitement de l'information. Contrairement aux approches traditionnelles qui nécessitent une lumière adaptée à ces vallées énergétiques, la nouvelle méthode est plus adaptable, offrant une nouvelle direction pour le développement de dispositifs quantiques.
La capacité des chercheurs à manipuler les vallées quantiques du hBN pourrait conduire à de nouveaux dispositifs, tels que des commutateurs quantiques ultrarapides, qui fonctionnent non seulement sur le binaire des 0 et des 1, mais aussi sur le paysage plus complexe de l'information quantique. Cela permettra de disposer de moyens plus rapides et plus efficaces de traiter et de stocker les informations.
"Il ne s'agit pas seulement d'allumer et d'éteindre un interrupteur", a déclaré Matthias F. Kling, directeur de la division R&D chez LCLS. "Il s'agit de créer un commutateur qui peut exister dans plusieurs états à la fois, augmentant considérablement la puissance et le potentiel de nos appareils. Cela ouvre une toute nouvelle façon de concevoir les propriétés des matériaux à un niveau quantique. Les applications potentielles sont vastes, allant de de l'informatique quantique aux nouvelles formes de traitement de l'information quantique."
La recherche met également en lumière les moyens fondamentaux par lesquels les scientifiques peuvent interagir avec le monde quantique et le contrôler. Pour les scientifiques impliqués, ce voyage dans le domaine quantique n'est pas seulement une question de frisson de la découverte, mais aussi de repousser les limites du possible.
"L'un des aspects les plus passionnants est le potentiel de nos découvertes", a déclaré Biswas. "Nous sommes à l'aube d'une nouvelle ère technologique et nous commençons tout juste à explorer ce qui est possible lorsque nous exploitons la puissance des matériaux quantiques."
L'équipe comprenait également des chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching ; Ludwig-Maximilians-Universitat de Munich en Allemagne ; et l'Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid en Espagne.
Plus d'informations : Sambit Mitra et al, Modèle Haldane contrôlé par les ondes lumineuses dans du nitrure de bore hexagonal monocouche, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07244-z
Informations sur le journal : Nature
Fourni par le Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
