Des fils très fins constitués d'un isolant topologique pourraient permettre des qubits très stables, les éléments constitutifs des futurs ordinateurs quantiques. Les scientifiques voient un nouveau résultat dans les dispositifs isolants topologiques comme une étape importante vers la réalisation du potentiel de la technologie.

Un groupe international de scientifiques a démontré que des fils plus de 100 fois plus fins qu'un cheveu humain peuvent agir comme une voie quantique à sens unique pour les électrons lorsqu'ils sont constitués d'un matériau particulier appelé isolant topologique.

Cette découverte ouvre la voie à de nouvelles applications technologiques de dispositifs fabriqués à partir d'isolants topologiques et démontre une étape importante sur la voie de la réalisation de ce qu'on appelle des qubits topologiques, qui, selon les prédictions, peuvent coder de manière robuste des informations pour un ordinateur quantique.

Pour parvenir à ce résultat, les groupes du professeur Dr Jelena Klinovaja et du professeur Dr Daniel Loss de l'Université de Bâle ont collaboré étroitement avec des physiciens expérimentaux de l'Université de Cologne dans le groupe du professeur Dr Yoichi Ando. Leur étude vient d'être publiée dans Nature Nanotechnology .

Les isolants topologiques sont des matériaux dans lesquels une combinaison de mécanique quantique et du concept mathématique de topologie produit des surfaces conductrices et des intérieurs isolants. Les isolants topologiques sont des candidats très prometteurs pour les technologies futures et comme plateformes potentielles pour l'informatique quantique.

Les chercheurs ont pu montrer que, dans les bonnes circonstances, les courants électriques peuvent circuler plus facilement dans un sens que dans l'autre, un processus connu sous le nom de rectification. La rectification offre un large éventail d'applications et constitue la base de la plupart des technologies sans fil.

Les redresseurs que l'on trouve dans les smartphones, par exemple, sont désormais constitués de diodes semi-conductrices. Cependant, l'effet de rectification de courant découvert dans les nanofils isolants topologiques résulte de la mécanique quantique et est extrêmement contrôlable.

Habituellement, les effets de rectification quantique résultent de quelque chose connu sous le nom de couplage spin-orbite, qui est un mélange de mécanique quantique et de la théorie de la relativité d'Einstein. Comme on pouvait s'y attendre, ce mélange étrange entraîne normalement de minuscules effets de rectification.

"Ce qui est formidable avec les nanofils isolants topologiques, c'est que nous pouvons produire artificiellement essentiellement la même physique mais avec une ampleur beaucoup plus grande", déclare le Dr Henry Legg, boursier postdoctoral Georg H. Endress à l'Université de Bâle et premier auteur de l'article. "Cela conduit à un effet de rectification vraiment énorme par rapport à d'autres matériaux. C'est aussi l'un des aspects qui rend les isolants topologiques si excitants pour les applications en informatique quantique."

Au-delà de la loi d'Ohm

La loi d'Ohm stipule que le courant traversant un appareil est régi par la chute de tension à travers celui-ci et une quantité appelée résistance. Cependant, lorsque la mécanique quantique est en jeu, la loi d'Ohm doit parfois être corrigée.

En particulier, si un matériau ou un dispositif n'a pas le même aspect lorsque toutes ses propriétés spatiales sont reflétées - ce que l'on appelle une symétrie d'inversion spatiale brisée - l'application d'un champ magnétique signifie que la version quantique de la loi d'Ohm permet au courant de circuler plus facilement dans une direction par rapport à l'autre. La taille du redressement de courant est déterminée par la différence entre les résistances dans chaque direction.

Le haut degré de contrôle possible dans les dispositifs isolants topologiques a permis à l'équipe de chercheurs d'obtenir un effet de rectification vraiment gigantesque par rapport à ce qui avait été observé précédemment.

Informations quantiques fiables

Les ordinateurs quantiques promettent une puissance de calcul sans précédent, mais sont très sensibles à l'influence de l'environnement extérieur. L'une des solutions proposées à la fragilité des unités d'information quantiques, appelées qubits, sont les qubits topologiques, dont on prévoit qu'ils seront beaucoup plus stables face aux influences de l'environnement extérieur. Cette protection découle également des mathématiques de la topologie qui sous-tendent les propriétés des isolants topologiques.

Les isolants topologiques ont longtemps été considérés comme de bons candidats pour être la base des ordinateurs quantiques topologiques. Cependant, un bon contrôle des dispositifs isolants topologiques est essentiel pour pouvoir produire des qubits topologiques.

"Notre étude a non seulement découvert un effet quantique unique et très important, mais elle montre également que nous avons un excellent degré de compréhension de ce qui se passe dans ces systèmes. Il semble que toutes les propriétés clés des isolants topologiques soient là pour avancer sur le chemin vers la création de qubits topologiques », explique le professeur Dr. Jelena Klinovaja de l'Université de Bâle. + Explorer plus loin

Premier bit quantique hybride basé sur des isolants topologiques