Découvrir des propriétés inattendues dans un matériau quantique complexe

Si le domaine des sciences de l’information quantique a connu des progrès ces dernières années, l’utilisation généralisée des ordinateurs quantiques reste encore limitée. L’un des défis est la capacité à n’utiliser qu’un petit nombre de “qubits”, l’unité qui effectue les calculs dans un ordinateur quantique, car les plates-formes actuelles ne sont pas conçues pour permettre à plusieurs qubits de “parler” entre eux. Afin de relever ce défi, les matériaux doivent être efficaces au niveau de l’intrication quantique, qui se produit lorsque les états des qubits restent liés quelle que soit leur distance les uns des autres, ainsi que la cohérence, ou lorsqu’un système peut maintenir cet enchevêtrement.

Dans cette étude, Jog a examiné Ta₂NiSe₅, un système matériel qui a une forte corrélation électronique, ce qui le rend attrayant pour les dispositifs quantiques. Une forte corrélation électronique signifie que la structure atomique du matériau est liée à ses propriétés électroniques et à la forte interaction qui se produit entre les électrons.

Pour étudier Ta₂NiSe₅, Jog a utilisé une modification d’une technique développée dans le laboratoire d’Agarwal connue sous le nom d’effet photogalvanique circulaire, où la lumière est conçue pour transporter un champ électrique et est capable de sonder différentes propriétés des matériaux. Développée et itérée au cours des dernières années, cette technique a révélé des informations sur des matériaux tels que le silicium et les semi-métaux de Weyl d’une manière qui n’est pas possible avec les expériences conventionnelles de physique et de science des matériaux.

Mais le défi de cette étude, dit Agarwal, est que cette méthode n’a été appliquée que dans des matériaux sans symétrie d’inversion, alors que Ta₂NiSe₅ a une symétrie d’inversion, Jog “voulait voir si cette technique pouvait être utilisée pour étudier des matériaux qui ont une symétrie d’inversion qui, d’un sens conventionnel, ne devrait pas produire cette réponse”, explique Agarwal.

Après s’être connecté avec Harnagea pour obtenir des échantillons de haute qualité de Ta₂NiSe₅, Jog et Agarwal ont utilisé une version modifiée de l’effet photogalvanique circulaire et ont été surpris de voir qu’un signal était produit. Après avoir mené des études supplémentaires pour s’assurer qu’il ne s’agissait pas d’une erreur ou d’un artefact expérimental, ils ont travaillé avec Mele pour développer une théorie qui pourrait aider à expliquer ces résultats inattendus.

Mele dit que le défi avec le développement d’une théorie était que ce qui était émis comme hypothèse sur la symétrie de Ta₂NiSe₅ ne concordait pas avec les résultats expérimentaux. Ensuite, après avoir trouvé un article théorique précédent qui suggérait que la symétrie était inférieure à ce qui était supposé, ils ont pu développer une explication pour ces données. “Nous avons réalisé que s’il y avait une phase à basse température où le système se cisaillerait spontanément, cela le ferait, suggérant que ce matériau se déformait en cette autre structure”, explique Mele.

En combinant leur expertise à la fois expérimentale et théorique, un élément essentiel du succès de ce projet, les chercheurs ont découvert que ce matériau avait brisé la symétrie, une découverte qui a des implications importantes sur l’utilisation de ce matériau et d’autres matériaux dans les futurs appareils. En effet, la symétrie joue un rôle fondamental dans la classification des phases de la matière et, finalement, dans la compréhension de leurs propriétés en aval.

Ces résultats fournissent également une plate-forme pour trouver et décrire des propriétés similaires dans d’autres types de matériaux. “Maintenant, nous avons un outil qui peut sonder la rupture de symétrie très subtile dans les matériaux cristallins. Pour comprendre tout matériau complexe, vous devez penser aux symétries car cela a d’énormes implications”, explique Agarwal.

S’il reste un “long voyage” avant Ta₂NiSe₅ peuvent être intégrés dans des dispositifs quantiques, les chercheurs progressent déjà dans l’évaluation de ce phénomène. Au laboratoire, Jog et Agarwal s’intéressent à l’étude de niveaux d’énergie supplémentaires au sein de Ta₂NiSe₅, en recherchant des propriétés topologiques potentielles et en utilisant la méthode photogalvanique circulaire pour étudier d’autres systèmes corrélés afin de voir s’ils pourraient également avoir des propriétés similaires. Du côté de la théorie, Mele étudie la prévalence de ce phénomène dans d’autres systèmes matériels et développe des suggestions pour d’autres matériaux que les expérimentateurs pourront étudier à l’avenir.

“Ce que nous voyons ici est une réponse qui ne devrait pas se produire mais qui se produit dans ces circonstances”, déclare Mele. “Élargir l’espace des structures dont vous disposez, où vous pouvez activer ces effets qui sont théoriquement interdits, est vraiment important. Ce n’est pas la première fois que cela se produit en spectroscopie, mais, chaque fois que cela se produit, c’est une chose intéressante.”

En plus de présenter un nouvel outil pour étudier les cristaux complexes à la communauté des chercheurs, ce travail fournit également des informations importantes sur les types de matériaux qui peuvent fournir deux caractéristiques clés, l’intrication et la cohérence macroscopique qui sont cruciales pour les futures applications quantiques allant du diagnostic médical, l’électronique basse consommation et les capteurs.

“L’idée à long terme, et l’un des plus grands objectifs de la physique de la matière condensée, est de pouvoir comprendre ces états de matière hautement intriqués, car ces matériaux eux-mêmes peuvent effectuer de nombreuses simulations complexes”, explique Agarwal. “Il se pourrait que, si nous pouvons comprendre ces types de systèmes, ils puissent devenir des plates-formes naturelles pour faire de la simulation quantique à grande échelle.”