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Dec 03, 2023

Élucider les mystères quantiques : un nouvel outil démêle la couche des états électroniques

Par Université de Chicago, 20 mai 2023 Le nouvel outil démêle les états électroniques. Crédit : Illustration de Woojoo Lee et Peter Allen Chercheurs de l'Université de ChicagoFondée en 1890, la

Par Université de Chicago20 mai 2023

Le nouvel outil démêle les états électroniques. Crédit : Illustration de Woojoo Lee et Peter Allen

Researchers at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">L'Université de Chicago et la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ont créé un nouvel instrument qui peut aider à révéler l'origine des états électroniques dans les matériaux techniques, ouvrant ainsi la voie à leur utilisation dans les futures applications de la technologie quantique.

Le professeur adjoint Shuolong Yang et son équipe ont développé cet outil innovant pour améliorer la compréhension des isolants topologiques magnétiques, des matériaux dotés de caractéristiques de surface uniques qui pourraient jouer un rôle crucial dans l'avancement des technologies des sciences de l'information quantique.

Grâce à une technique appelée photoémission dans le domaine fréquentiel codée par couche, les chercheurs envoient deux impulsions laser dans un matériau en couches. Les vibrations qui en résultent, associées à la mesure de l’énergie, permettent aux chercheurs de reconstituer un « film » montrant comment les électrons se déplacent dans chaque couche.

"Dans notre vie quotidienne, lorsque nous voulons mieux comprendre un matériau – comprendre sa composition ou s'il est creux – nous frappons dessus", a déclaré Yang. « Il s’agit d’une approche similaire à un niveau microscopique. Notre nouvelle technique nous permet de « frapper et d’écouter » des matériaux en couches, et elle nous a permis de montrer qu’un isolant topologique magnétique particulier fonctionne différemment de ce que prédit la théorie.

The results were published in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Physique naturelle.

Comprendre les matériaux en couches est important car de nombreux scientifiques en matériaux conçoivent et créent désormais des matériaux au niveau atomique dans un processus couche par couche, combinant deux ou plusieurs matériaux ensemble pour créer un nouveau matériau. Construire ces matériaux à partir de zéro leur permet de créer des matériaux dotés de nouvelles propriétés pour les technologies futures.

Lorsque les scientifiques ont créé l’isolant topologique magnétique à deux couches (MnBi2Te4)(Bi2Te3) en combinant un matériau magnétique avec un matériau non magnétique, ils ont développé un matériau aux propriétés quantiques exotiques. Les électrons se déplacent autour du périmètre de la surface tout en conservant leurs propriétés énergétiques et quantiques. Ce supercourant pourrait potentiellement être utilisé pour transmettre des informations stockées dans des qubits dans les futurs ordinateurs quantiques.

Parce que ces couches sont si minces – de l’ordre de quelques nanomètres – les outils traditionnels de caractérisation des matériaux, comme la spectroscopie, ne peuvent pas faire la distinction entre les couches. Alors que les électrons devraient idéalement se déplacer autour de la surface du matériau magnétique, des expériences antérieures réalisées par d’autres groupes ont montré qu’ils contournaient peut-être plutôt le matériau non magnétique.

Pour comprendre ce qui se passe dans les deux couches différentes, le nouvel outil envoie d’abord une impulsion infrarouge femtoseconde (ou quadrillionième de seconde). Cette courte impulsion fait vibrer les couches différemment, en fonction de leur composition. Ensuite, les chercheurs envoient une deuxième impulsion laser ultraviolette, qui peut mesurer l’énergie et la quantité de mouvement des électrons dans le matériau. Ensemble, les deux mesures peuvent enregistrer le mouvement des électrons dans le temps.