Les isolateurs topologiques magnétiques pourraient être parfaits pour fabriquer des qubits, mais celui-ci n’obéit pas aux règles – Technoguide

La recherche est en cours pour découvrir de nouveaux états de la matière et éventuellement de nouvelles façons de coder, de manipuler et de transporter l’information. L’un des objectifs est d’exploiter les propriétés quantiques des matériaux pour des communications qui vont au-delà de ce qui est possible avec l’électronique conventionnelle. Les isolants topologiques – des matériaux qui agissent principalement comme isolants mais transportent le courant électrique à travers leur surface – offrent des possibilités alléchantes.

«L’exploration de la complexité des matériaux topologiques – ainsi que d’autres phénomènes émergents intrigants tels que le magnétisme et la supraconductivité – est l’un des domaines d’intérêt les plus passionnants et les plus stimulants pour la communauté scientifique des matériaux au Brookhaven National Laboratory du Département américain de l’énergie», a déclaré Peter Johnson, physicien principal à la Division de la physique de la matière condensée et de la science des matériaux à Brookhaven. “Nous essayons de comprendre ces isolants topologiques car ils ont de nombreuses applications potentielles, en particulier dans la science de l’information quantique, un nouveau domaine important pour la division.”

Par exemple, les matériaux avec cette personnalité divisée isolant / conducteur présentent une séparation dans les signatures énergétiques de leurs électrons de surface avec un «spin» opposé. Cette propriété quantique pourrait potentiellement être exploitée dans des dispositifs “spintroniques” pour le codage et le transport d’informations. Pour aller plus loin, le couplage de ces électrons avec le magnétisme peut conduire à des phénomènes nouveaux et passionnants.

“Lorsque vous avez du magnétisme près de la surface, vous pouvez avoir ces autres états exotiques de la matière qui résultent du couplage de l’isolant topologique avec le magnétisme”, a déclaré Dan Nevola, un stagiaire postdoctoral travaillant avec Johnson. “Si nous pouvons trouver des isolants topologiques avec leur propre magnétisme intrinsèque, nous devrions être capables de transporter efficacement des électrons d’un spin particulier dans une direction particulière.”

Dans une nouvelle étude qui vient d’être publiée et mise en évidence comme une suggestion de l’éditeur dans Physical Review Letters, Nevola, Johnson et leurs co-auteurs décrivent le comportement bizarre d’un tel isolant topologique magnétique. L’article comprend des preuves expérimentales que le magnétisme intrinsèque dans la majeure partie du tellurure de manganèse-bismuth (MnBi2Te4) s’étend également aux électrons sur sa surface électriquement conductrice. Des études antérieures n’avaient pas permis de déterminer si le magnétisme de surface existait ou non.

Mais lorsque les physiciens ont mesuré la sensibilité des électrons de surface au magnétisme, un seul des deux états électroniques observés s’est comporté comme prévu. Un autre état de surface, qui devait avoir une réponse plus importante, a agi comme si le magnétisme n’était pas là.

“Le magnétisme est-il différent à la surface? Ou y a-t-il quelque chose d’exotique que nous ne comprenons tout simplement pas?” Dit Nevola.

Johnson penche vers l’explication de la physique exotique: “Dan a fait cette expérience très minutieuse, qui lui a permis d’examiner l’activité dans la région de la surface et d’identifier deux états électroniques différents sur cette surface, l’un qui pourrait exister sur n’importe quelle surface métallique et l’autre qui reflétait les propriétés topologiques du matériau », a-t-il déclaré. «Le premier était sensible au magnétisme, ce qui prouve que le magnétisme existe bel et bien en surface. Cependant, l’autre que nous nous attendions à être plus sensible n’avait aucune sensibilité. Donc, il doit y avoir de la physique exotique! “

Les mesures

Les scientifiques ont étudié le matériau à l’aide de divers types de spectroscopie de photoémission, où la lumière d’une impulsion laser ultraviolette projette des électrons de la surface du matériau et dans un détecteur pour la mesure.

“Pour l’une de nos expériences, nous utilisons une impulsion laser infrarouge supplémentaire pour donner un petit coup de pied à l’échantillon pour déplacer certains électrons avant de faire la mesure”, a expliqué Nevola. “Il prend certains des électrons et les frappe [up in energy] devenir des électrons conducteurs. Ensuite, dans des échelles de temps très, très courtes – picosecondes – vous effectuez la mesure pour voir comment les états électroniques ont changé en réponse. “

La carte des niveaux d’énergie des électrons excités montre deux bandes de surface distinctes qui affichent chacune des branches séparées, les électrons dans chaque branche ayant un spin opposé. Les deux bandes, chacune représentant l’un des deux états électroniques, devaient répondre à la présence de magnétisme.

Pour tester si ces électrons de surface étaient bien sensibles au magnétisme, les scientifiques ont refroidi l’échantillon à 25 Kelvin, permettant à son magnétisme intrinsèque d’émerger. Cependant, ce n’est que dans l’état électronique non topologique qu’ils ont observé une ouverture de “gap” dans la partie anticipée du spectre.

“Dans de telles lacunes, il est interdit aux électrons d’exister, et donc leur disparition de cette partie du spectre représente la signature de l’écart”, a déclaré Nevola.

L’observation d’un espace apparaissant à l’état de surface régulier était une preuve définitive de la sensibilité magnétique – et une preuve que le magnétisme intrinsèque dans la masse de ce matériau particulier s’étend à ses électrons de surface.

Cependant, l’état électronique «topologique» que les scientifiques ont étudié n’a pas montré une telle sensibilité au magnétisme – pas de trou.

“Cela jette un peu un point d’interrogation”, a déclaré Johnson.

«Ce sont des propriétés que nous aimerions pouvoir comprendre et concevoir, tout comme nous concevons les propriétés des semi-conducteurs pour une variété de technologies», a poursuivi Johnson.

En spintronique, par exemple, l’idée est d’utiliser différents états de spin pour coder des informations de la manière dont les charges électriques positives et négatives sont actuellement utilisées dans les dispositifs à semi-conducteurs pour coder les “bits” – 1 et 0 – du code informatique. Mais les bits quantiques codés en spin, ou qubits, ont beaucoup plus d’états possibles – pas seulement deux. Cela augmentera considérablement le potentiel d’encodage des informations de manière nouvelle et puissante.

«Tout sur les isolants topologiques magnétiques semble être adapté à ce type d’application technologique, mais ce matériau particulier n’obéit pas tout à fait aux règles», a déclaré Johnson.

Alors maintenant, alors que l’équipe poursuit sa recherche de nouveaux états de la matière et de nouvelles informations sur le monde quantique, il y a une nouvelle urgence à expliquer le comportement quantique décalé de ce matériau particulier.

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