Une nouvelle méthode électrique pour changer facilement la direction du flux d’électrons dans certains matériaux quantiques pourrait avoir des implications pour le développement de la prochaine génération de dispositifs électroniques et d’ordinateurs quantiques.
Une équipe de chercheurs de l’Université de Penn State a développé et démontré la méthode dans des matériaux qui présentent l’effet Hall quantique anomale (QAH) – un phénomène dans lequel le flux d’électrons le long du bord d’un matériau ne perd pas d’énergie. Les travaux de l’équipe sont décrits dans un article publié aujourd’hui (19 octobre) dans la revue Nature Materials.
« Alors que les dispositifs électroniques deviennent de plus en plus petits et que les demandes de calcul augmentent, il est de plus en plus important de trouver des moyens d’améliorer l’efficacité du transfert d’informations, ce qui comprend le contrôle du flux d’électrons », a déclaré Cui-Zu Chang, professeur en début de carrière Henry W. Knerr et professeur associé de physique à Penn State et co-auteur de l’article.
L’effet Hall quantique anomale
L’effet QAH est prometteur car il n’y a pas de perte d’énergie lorsque les électrons circulent le long des bords des matériaux. En 2013, Cui-Zu Chang a été le premier à démontrer expérimentalement ce phénomène quantique. Les matériaux présentant cet effet sont appelés isolants QAH, qui sont un type d’isolant topologique – une mince couche de film d’une vingtaine d’atomes d’épaisseur – qui ont été rendus magnétiques de sorte qu’ils ne conduisent le courant que sur leurs bords.
« Dans un isolant QAH, les électrons d’un côté du matériau se déplacent dans une direction, tandis que ceux de l’autre côté se déplacent dans la direction opposée, comme une autoroute à deux voies », a déclaré Cui-Zu Chang. « Nos travaux antérieurs ont montré comment augmenter l’effet QAH, créant essentiellement une autoroute à plusieurs voies pour un transport d’électrons plus rapide. Dans cette étude, nous développons une nouvelle méthode électrique pour contrôler la direction de transport de l’autoroute à électrons et fournir un moyen pour ces électrons de faire un demi-tour immédiat. »
En synthèse
Les chercheurs ont fabriqué un isolant QAH avec des propriétés spécifiques et optimisées. Ils ont découvert qu’en appliquant une impulsion de courant de 5 millisecondes à l’isolant QAH, cela affecte le magnétisme interne du matériau et fait changer de direction aux électrons. La capacité de changer de direction est essentielle pour optimiser le transfert, le stockage et la récupération de l’information dans les technologies quantiques.
Contrairement à l’électronique actuelle, où les données sont stockées dans un état binaire comme on ou off – comme un ou zéro – les données quantiques peuvent être stockées simultanément dans une gamme d’états possibles. Changer le flux d’électrons est une étape importante dans l’écriture et la lecture de ces états quantiques.
« La méthode précédente pour changer la direction du flux d’électrons reposait sur un aimant externe pour modifier le magnétisme du matériau, mais l’utilisation d’aimants dans les dispositifs électroniques n’est pas idéale », a indiqué Chao-Xing Liu, professeur de physique à Penn State et co-auteur correspondant de l’article. « Les aimants volumineux ne sont pas pratiques pour les petits appareils comme les smartphones, et un interrupteur électronique est généralement beaucoup plus rapide qu’un interrupteur magnétique. Dans ce travail, nous avons trouvé une méthode électronique pratique pour changer la direction du flux d’électrons. »
Les chercheurs avaient précédemment optimisé l’isolant QAH de sorte qu’ils pouvaient tirer parti d’un mécanisme physique dans le système pour contrôler son magnétisme interne. « Pour rendre cette méthode efficace, nous devions augmenter la densité du courant appliqué », a ajouté Chao-Xing Liu. « En réduisant les dispositifs isolants QAH, l’impulsion de courant a entraîné une très haute densité de courant qui a changé la direction de la magnétisation, ainsi que la direction de la route de transport des électrons. »
Ce passage du contrôle magnétique au contrôle électronique dans les matériaux quantiques, selon les chercheurs, est similaire à un changement qui s’est produit dans le stockage de mémoire traditionnel : alors que le stockage d’informations sur les disques durs originaux et les disquettes impliquait l’utilisation d’aimants pour créer un champ magnétique et écrire des données, la nouvelle « mémoire flash » telle que celle utilisée dans les clés USB, les disques durs à l’état solide et les smartphones est écrite électroniquement.
Des technologies prometteuses pour augmenter la mémoire, comme la MRAM, reposent également sur des mécanismes physiques liés au magnétisme interne. Au-delà de la démonstration expérimentale, l’équipe de recherche a également fourni une interprétation théorique de leur méthodologie. L’équipe explore actuellement comment arrêter les électrons sur leur route – pour essentiellement allumer et éteindre le système. Ils cherchent également à démontrer l’effet QAH à des températures plus élevées.
« Cet effet, ainsi que les exigences actuelles pour les ordinateurs quantiques et les supraconducteurs, nécessitent des températures très basses proches du zéro absolu », a précisé Cui-Zu Chang. « Notre objectif à long terme est de reproduire l’effet QAH à des températures plus technologiquement pertinentes. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’effet Hall quantique anomale (QAH) ?
L’effet QAH est un phénomène dans lequel le flux d’électrons le long du bord d’un matériau ne perd pas d’énergie. Les matériaux qui présentent cet effet sont appelés isolants QAH, qui sont un type d’isolant topologique – une mince couche de film d’une vingtaine d’atomes d’épaisseur – qui ont été rendus magnétiques de sorte qu’ils ne conduisent le courant que sur leurs bords.
Pourquoi est-il important de contrôler le flux d’électrons ?
À mesure que les dispositifs électroniques deviennent de plus en plus petits et que les demandes de calcul augmentent, il est de plus en plus important de trouver des moyens d’améliorer l’efficacité du transfert d’informations, ce qui comprend le contrôle du flux d’électrons. La capacité de changer de direction est essentielle pour optimiser le transfert, le stockage et la récupération de l’information dans les technologies quantiques.
Quelle est la nouvelle méthode pour changer la direction du flux d’électrons ?
Les chercheurs ont découvert qu’en appliquant une impulsion de courant de 5 millisecondes à l’isolant QAH, cela affecte le magnétisme interne du matériau et fait changer de direction aux électrons. Cette méthode est plus pratique et plus rapide que l’utilisation d’aimants dans les dispositifs électroniques.
Qu’est-ce que cela signifie pour le stockage de mémoire ?
Ce passage du contrôle magnétique au contrôle électronique dans les matériaux quantiques est similaire à un changement qui s’est produit dans le stockage de mémoire traditionnel. Alors que le stockage d’informations sur les disques durs originaux et les disquettes impliquait l’utilisation d’aimants pour créer un champ magnétique et écrire des données, la nouvelle « mémoire flash » telle que celle utilisée dans les clés USB, les disques durs à l’état solide et les smartphones est écrite électroniquement.
Quels sont les objectifs futurs de cette recherche ?
L’équipe de recherche explore actuellement comment arrêter les électrons sur leur route – pour essentiellement allumer et éteindre le système. Ils cherchent également à démontrer l’effet QAH à des températures plus élevées. Leur objectif à long terme est de reproduire l’effet QAH à des températures plus technologiquement pertinentes.
Chang, Cui-Zu, et al. “A new electrical method to conveniently change the direction of electron flow in some quantum materials.” Nature Materials, 19 Oct. 2023. 10.1038/s41563-023-01694-y
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