Plus de 750 défauts quantiques analysés pour découvrir des propriétés inédites

Une méthode innovante pour identifier des matériaux à fort potentiel ont été mise au point par des chercheurs américains pour les applications quantiques, en combinant des techniques de calcul rapide et de fabrication précise. Découvrez comment cette approche pourrait transformer les domaines de l’informatique, des télécommunications et des capteurs.

Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory et d’autres institutions ont démontré une approche innovante pour identifier des matériaux prometteurs pour les applications quantiques. En utilisant des méthodes de calcul rapide, ils ont pu prédire les propriétés de centaines de matériaux et en sélectionner les plus prometteurs pour une fabrication précise.

Cette méthode combine le criblage théorique et la fabrication à l’échelle atomique, accélérant ainsi la découverte de matériaux quantiques aux fonctionnalités spécifiques. Alex Weber-Bargioni, chercheur principal, précise : « Ces méthodes permettent aux chercheurs d’accélérer la découverte de matériaux quantiques avec des fonctionnalités spécifiques qui peuvent transformer l’informatique, les télécommunications et les capteurs. »

Les défauts quantiques sensibles à la lumière

La science de l’information quantique utilise des phénomènes à l’échelle atomique pour encoder, traiter et transmettre des informations. Une façon d’y parvenir est de créer des défauts dans les matériaux, comme remplacer un type d’atome par un autre. Ces défauts peuvent être intégrés dans des systèmes permettant des applications quantiques.

Geoffroy Hautier, scientifique en matériaux à Dartmouth, souligne : « Pour que les défauts fonctionnent dans des applications quantiques, ils doivent avoir des propriétés électroniques et des structures très spécifiques. Ils doivent de préférence pouvoir absorber et émettre de la lumière avec des longueurs d’onde dans le visible ou la gamme des télécommunications. »

Les défauts avec de bonnes propriétés quantiques sont difficiles à trouver. « Si l’on considère le matériau disulfure de tungstène (WS2), il existe des centaines de défauts possibles en fonction des éléments insérés et de leurs emplacements atomiques. » explique Sinéad Griffin, scientifique au Berkeley Lab.

Traditionnellement, les défauts fonctionnels sont découverts par accident. Les chercheurs ont inversé cette approche en utilisant d’abord la théorie pour guider les expériences. Les chercheurs ont développé des méthodes de calcul de pointe pour prédire les propriétés de plus de 750 défauts dans le WS2 en 2D.

Jouer avec les atomes comme des briques LEGO

Les chercheurs ont ensuite fabriqué et examiné le défaut de cobalt identifié. En utilisant une technique de précision atomique, ils ont inséré des atomes de cobalt dans des trous créés dans le WS2. John Thomas, chercheur postdoctoral, décrit : « La pointe du microscope peut voir les atomes individuels et les déplacer, nous permettant de sélectionner un emplacement spécifique pour l’atome de cobalt. »

Cette méthode permet de fabriquer des défauts identiques, nécessaires pour les applications quantiques comme la communication par fibre optique. Les mesures expérimentales ont confirmé les prédictions théoriques, démontrant l’efficacité de cette approche combinée.

Les mesures expérimentales ont confirmé les prédictions théoriques, démontrant l’exactitude de ces dernières. Alex Weber-Bargioni note : « Ce résultat critique montre l’efficacité de la combinaison de nos approches de calcul et de fabrication pour identifier des défauts avec des propriétés recherchées. »

Les chercheurs prévoient de réaliser d’autres mesures sur les propriétés du défaut de cobalt et d’identifier d’autres défauts performants. L’objectif est de créer des matériaux complexes avec une précision atomique, optimisant ainsi leurs propriétés pour des applications futures.

Légende illustration : Cette image montre le défaut de cobalt fabriqué par l’équipe de l’étude. Les cercles verts et jaunes sont des atomes de tungstène et de soufre qui composent un échantillon de disulfure de tungstène en 2D. Les cercles bleu foncé à la surface sont des atomes de cobalt. La zone en bas à droite surlignée en bleu-vert est un trou précédemment occupé par un atome de soufre. La zone surlignée en rouge-violet est un défaut – une vacance de soufre remplie par un atome de cobalt. Le microscope à effet tunnel (gris) utilise le courant électrique (bleu clair) pour mesurer les propriétés du défaut à l’échelle atomique. Crédit : John C. Thomas/Berkeley Lab