Apparemment, il ne se passe pas un jour sans que quelqu'un parle des ordinateurs quantiques. Cette technologie nous promet des appareils qui fonctionnent sur le principe "plus rapide, plus haut, plus fort", alors qu'il est encore difficile de décrire pleinement tous ses avantages et inconvénients. Cependant, la perspective d'un calcul et d'un transfert de données incroyablement rapides, ainsi que le stockage d'une énorme quantité de données «dans la graine de pavot» est sans aucun doute attrayante. Et pour atteindre ces hauteurs souhaitées, beaucoup de travail est nécessaire, car la nouvelle technologie repose sur de nouveaux principes, de nouveaux appareils et, bien sûr, de nouveaux matériaux. Classiques, comme on l'appelle maintenant couramment, les ordinateurs utilisent le silicium comme matériau de base. Et qu'utilisent les quantiques? Cela sera discuté dans l'étude que nous examinons aujourd'hui. Quelles sont ces nouvelles propriétés de la substance déjà connue, pourquoi y ont-elles prêté attention et pourquoi est-elle appelée une «percée» dans les technologies quantiques? Les réponses sont cachées dans un rapport de scientifiques. Il ne reste plus qu'à les trouver. Allons-y.
Contexte et fondement de la rechercheLa découverte d'
isolateurs topologiques * est devenue un formidable stimulant pour réétudier diverses substances avec le désir d'y trouver des propriétés utiles aux technologies quantiques. De tels matériaux ont été décrits pour la première fois dans les années 80, mais ils ne pouvaient vraiment être trouvés que dans le récent 2007.
Isolateur topologique * (TI) - un matériau dont la partie intérieure est un isolant et dont la surface conduit un courant électrique.
Ces matériaux ont incité les scientifiques à étudier des
états de surface non standard
* de substances déjà connues et certainement utiles pour les ordinateurs quantiques.
L'état de surface * est l'état électronique de la surface d'un solide.
Les états de surface caractéristiques des isolants topologiques peuvent avoir différentes origines, par exemple, une forte
interaction spin-orbite * ou l'effet de la corrélation électronique. Dans tous les cas, si vous comprenez l'origine de tels états, vous pouvez les utiliser dans la mise en œuvre d'un projet aussi vaste et ambitieux que les technologies quantiques.
Interaction spin-orbite * - l'interaction d'une particule en mouvement et de son propre moment magnétique provoquée par le spin de cette particule.
Le premier représentant de TI était un composé de bismuth, de tellure et de soufre, connu sous le nom de tétradimite (Bi
2 Te
2 S). L'état de surface de la tétradimite était basé sur l'interaction spin-orbite et était soutenu par la
symétrie t * .
La symétrie T * est la symétrie des équations par rapport à l'inversion du temps (c'est-à-dire le remplacement du temps t par -t ).
Il convient également de mentionner les demi-métaux topologiques de Dirac, tels que Cd
3 As
2 et Na
3 Bi. Ils ont trouvé un lien entre
la bande de valence * et
la bande de conduction * en certains points discrets de
la zone de Brillouin * .
La bande de valence * est la zone d'énergie de l'état électronique d'un solide, remplie d'électrons de valence et responsable de la conductivité électrique du corps.
La bande de conduction * est la bande d'énergie de l'état électronique d'un solide qui n'est pas rempli d'électrons.
Lorsque les électrons de la bande de valence passent dans la bande de conduction, ayant passé la bande interdite, ils commencent à se déplacer sous l'influence d'un champ électrique, c'est-à-dire participer à la conduction.
Zone Brillouin *
a) pour un simple réseau cubique;
b) - pour la grille hexagonale.
Dans ces matériaux, il existe une symétrie cristalline et d'inversion.
Une situation très intéressante a été associée à un autre semi-métal, l'arséniure de tantale (semi-métal de Weil). Dès 1929, German Weil a formulé l'équation du mouvement pour une particule à deux composants sans masse, qui porte son nom. Ce faisant, le scientifique a prédit l'existence du soi-disant fermion de Weil. Jusqu'en 2015, personne n'a pu obtenir le semi-métal de Weyl, et donc fixer une particule prédite par lui avec une valeur de spin demi-entier. Lorsque les rayons X et les rayons ultraviolets ont traversé un cristal d'arséniure de tantale, les scientifiques ont pu étudier les propriétés physiques d'une substance inhabituelle. Des excitations de réseau, se manifestant sous forme de fermions de Weyl, ont été découvertes.
Les fermions de Weil sont surprenants en ce que, contrairement aux électrons, ils ne sont pas soumis à la rétrodiffusion lorsqu'une particule rencontre un obstacle. Les particules de Weil traversent ou circulent simplement autour d'un obstacle, comme si elles n'existaient pas du tout pour elles.
Ces matériaux suscitent un vif intérêt chez les scientifiques, car ils peuvent changer radicalement le monde de la technologie informatique en raison de ses propriétés extraordinaires.
Comme nous le voyons, les matériaux ci-dessus sont tout à fait suffisants pour la mise en œuvre dans les technologies quantiques. Cependant, l'objectif de nos héros aujourd'hui était de trouver non seulement un matériau approprié, mais vraiment idéal, combinant plusieurs propriétés importantes à la fois.
Une telle substance était le métal
Hf 2 Te 2 P , dans lequel des états topologiques fermioniques de surface, l'intersection de Dirac et de l'arc de Dirac ont été découverts. Mélange très impressionnant dans une bouteille.
Mesures expérimentalesLa principale méthode d'identification de tout ce qui précède était la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire.
Image n ° 1: Structure cristalline et caractérisation de l'échantillon Hf 2 Te 2 P.La figure
1a montre la structure cristalline tétradimite rhomboédrique de Hf
2 Te
2 P. Les carrés marquent 2 groupes de la
garniture d'atomes à cinq couches la plus dense
* . L'étoile rouge indique le centre d'
inversion * . Les points violets sont
Te (tellure), les points verts sont
Hf (hafnium) et les points jaunes sont
P (phosphore).
Un exemple du tassement d'atomes le plus dense.L'inversion * est la transformation de l'espace équivalente au concept mathématique de «réflexion».
Le graphique
1b montre la dépendance à la température de la résistance électrique mesurée dans un seul cristal Hf
2 Te
2 P sous l'influence d'un champ magnétique perpendiculaire au courant circulant dans le plan basal de la cellule cristallographique unitaire. La ligne brune est un champ magnétique de 0 T; la ligne orange est un champ magnétique de 9 T.
Également sur le graphique
1b, nous voyons une image d'un
monocristal * Hf
2 Te
2 P cultivé pour cette étude.
Un monocristal * est un monocristal à réseau cristallin continu.
Le graphique
1c montre la dépendance de la magnétorésistance à différentes températures dans un seul cristal de Hf
2 Te
2 P, lorsque le courant circule dans le plan basal de la maille cristallographique.
La projection de la zone de volume de Brillouin sur la surface hexagonale de la même zone du cristal Hf
2 Te
2 P, où les points de haute symétrie sont marqués, est représentée sur la figure
1d .
Et enfin, l'image
1e montre les résultats de la mesure du niveau du noyau de Hf
2 Te
2 P. Ici, vous pouvez voir les grands pics de Te 4d (tellure) et Hf 4f (hafnium), qui est un indicateur de la haute qualité de l'échantillon à tester.
En plus de la détermination de plusieurs
cônes de Dirac * au point 1 (image
1d ) à différents niveaux d'énergie de liaison * en dessous et au
- dessus
du niveau de Fermi * , un arc de Dirac a également été trouvé, qui était centralisé au point M le long de l'axe GM dans le plan de l'impulsion d'énergie.
Cônes de Dirac *
Niveau de Fermi * - augmentation de l'énergie de l'état fondamental du système lorsque 1 particule est ajoutée; énergie de fermion maximale à l'état fondamental à une température nulle absolue.
Image n ° 2: Surface de Fermi et observation de plusieurs états de fermionsLes images du groupe
2a montrent différentes surfaces de Fermi à différents niveaux d'énergie photonique (80 eV, 90 eV et 100 eV). Les lignes pointillées blanches numérotées 1 et 2 indiquent la direction de la dispersion.
Les images
b à
d montrent des cartes de dispersion mesurées selon diverses directions hautement symétriques à différents niveaux d'énergie photonique. Les données ont été obtenues en utilisant la station expérimentale de la
source de rayonnement synchrotron * à une température de 18 K (-255,15 ° C).
Rayonnement synchrotron * - rayonnement électromagnétique émis par des particules chargées se déplaçant à des vitesses relativistes le long de trajectoires incurvées par un champ magnétique.
Image n ° 3: observations expérimentales de l'arc de Dirac.Les images du groupe
3a montrent les contours de la surface à énergie constante à différentes valeurs de l'énergie de liaison (de 0 à 1000 meV, millielectron-volts). La surface de Fermi sous la forme d'une fleur à six pétales est clairement visible, ce qui suggère qu'une dispersion aussi prononcée est possible même dans le matériau métallique Dirac. Ci-dessous, sur
3b , les contours d'énergie constante sont représentés plus près de l'arc de Dirac.
3c est une carte de dispersion dans la direction de KMK le long de la direction de la section, révélée pour une surface à énergie constante à un niveau d'énergie de liaison d'environ 1000 meV.
À l'approche d'un débriefing, il convient de noter tous les états fermioniques déterminés dans l'échantillon par des calculs et des observations expérimentales.
Image n ° 4: plusieurs états de fermion.RésuméComme déjà mentionné, l'une des observations les plus importantes a été la surface de Fermi sous la forme d'une fleur à six pétales, indiquant qu'une telle dispersion prononcée est possible même dans le matériau métallique Dirac. Les cônes de Dirac à dispersion linéaire sur une large gamme d'énergie (~ 2,3 eV) sont également d'égale importance, ce qui est supérieur à celui du semi-métal ZrSiS (~ 2 eV).
Il convient de noter que dans les isolateurs topologiques de type n déjà bien étudiés Bi
2 Se
3 / Bi
2 Te
3 (
5a ), il a été constaté expérimentalement que les cônes de surface inférieure et supérieure du Dirac ont un niveau de Fermi beaucoup plus élevé que le point de Dirac (le point de contact entre la valence et les zones de bande conductivité). Dans le cas de Sb
2 Te
3 , un matériau de type p, le point de Dirac est situé bien au-dessus du niveau de Fermi (
5b ). Dans certains autres matériaux, il existe un contact entre la conductivité globale et la bande de valence dans une boucle unidimensionnelle protégée par une symétrie asymétrique (
5c ).
Et ces trois phénomènes se retrouvent dans un seul matériau à la fois, dans Hf
2 Te
2 P (
5d ,
5e ). Jusqu'à présent, aucun matériau ne pouvait s'en vanter.
Pour se familiariser avec les détails des calculs et des mesures, je recommande fortement de lire le rapport des chercheurs, disponible sur ce lien.Les chercheurs ont également permis à tous les arrivants d'accéder à des documents supplémentaires tirés de leur travail.ÉpilogueDe telles études ne peuvent en aucun cas être qualifiées de simples. La technologie quantique est généralement difficile d'appeler la lumière, du moins pour moi. Cependant, un tel travail colossal peut porter ses fruits au centuple, car les propriétés précédemment cachées du matériau connu découvert par les chercheurs peuvent élargir la gamme des possibilités dans la mise en œuvre des ordinateurs quantiques. La combinaison de plusieurs propriétés utiles dans un même matériau peut être un avantage sur la complexité de sa fabrication. Peut-être que si quelqu'un ne parvient pas à trouver une alternative au matériau ci-dessus, il peut devenir la pierre technologique Rosetta du futur. Toutes ces études, bien que soutenues par des mesures et des observations expérimentales, restent encore largement théoriques. Seule la mise en œuvre pratique de tout appareil utilisant de tels matériaux peut garantir à 100% son caractère unique et son incroyable utilité, comme disent les scientifiques. Dans tous les cas, ne vous précipitez pas. Le monde de la science a encore un long chemin à parcourir pour que de telles études entrent dans l'histoire comme des découvertes du passé qui ont affecté notre avenir.
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