Les lasers déclenchent le magnétisme dans des matériaux quantiques atomiquement minces


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  • Les chercheurs ont découvert que la lumière – sous la forme d’un laser – peut déclencher une forme de magnétisme dans un matériau normalement non magnétique. Ce magnétisme est centré sur le comportement des électrons. Ces particules subatomiques ont une propriété électronique appelée « spin », qui a une application potentielle en informatique quantique. Les chercheurs ont découvert que les électrons à l’intérieur du matériau s’orientaient dans la même direction lorsqu’ils étaient illuminés par les photons d’un laser.

    L’expérience, menée par des scientifiques de l’Université de Washington et de l’Université de Hong Kong, a été publiée le 20 avril dans Nature.

    En contrôlant et en alignant les spins des électrons à ce niveau de détail et de précision, cette plate-forme pourrait avoir des applications dans le domaine de la simulation quantique, selon le co-auteur principal Xiaodong Xu, professeur émérite Boeing à l’UW au Département de physique et au Département de science et génie des matériaux.

    « Dans ce système, nous pouvons utiliser des photons essentiellement pour contrôler les propriétés » de l’état fondamental « – telles que le magnétisme – des charges piégées dans le matériau semi-conducteur », a déclaré Xu, qui est également chercheur au sein du Clean Energy Institute de l’UW et l’Institut de génie moléculaire et des sciences. « Il s’agit d’un niveau de contrôle nécessaire pour développer certains types de qubits – ou « bits quantiques » – pour l’informatique quantique et d’autres applications. »

    Xu, dont l’équipe de recherche a dirigé les expériences, a dirigé l’étude avec le co-auteur principal Wang Yao, professeur de physique à l’Université de Hong Kong, dont l’équipe a travaillé sur la théorie qui sous-tend les résultats. Les autres membres du corps professoral de l’UW impliqués dans cette étude sont les co-auteurs Di Xiao, professeur de physique et de science et génie des matériaux de l’UW qui détient également une nomination conjointe au Pacific Northwest National Laboratory, et Daniel Gamelin, professeur de chimie et directeur de l’UW. du Centre des matériaux d’ingénierie moléculaire.

    L’équipe a travaillé avec des feuilles ultraminces – chacune d’une épaisseur de seulement trois couches d’atomes – de diséléniure de tungstène et de disulfure de tungstène. Les deux sont des matériaux semi-conducteurs, ainsi nommés parce que les électrons se déplacent à travers eux à une vitesse comprise entre celle d’un métal entièrement conducteur et celle d’un isolant, avec des utilisations potentielles dans la photonique et les cellules solaires. Les chercheurs ont empilé les deux feuilles pour former un « super-réseau moiré », une structure empilée composée d’unités répétitives.

    Des feuilles empilées comme celles-ci sont de puissantes plateformes pour la physique quantique et la recherche sur les matériaux, car la structure du super-réseau peut maintenir les excitons en place. Les excitons sont des paires liées d’électrons « excités » et leurs charges positives associées, et les scientifiques peuvent mesurer comment leurs propriétés et leur comportement changent dans différentes configurations de super-réseau.

    Les chercheurs étudiaient les propriétés de l’exciton dans le matériau lorsqu’ils ont fait la découverte surprenante que la lumière déclenche une propriété magnétique clé dans le matériau normalement non magnétique. Les photons fournis par les excitons « excités » par le laser dans le trajet du faisceau laser, et ces excitons ont induit un type de corrélation à longue portée parmi d’autres électrons, leurs spins étant tous orientés dans la même direction.

    « C’est comme si les excitons du super-réseau avaient commencé à « parler » à des électrons spatialement séparés », a déclaré Xu. « Ensuite, via des excitons, les électrons ont établi des interactions d’échange, formant ce qu’on appelle un » état ordonné « avec des spins alignés. »

    L’alignement de spin observé par les chercheurs dans le super-réseau est une caractéristique du ferromagnétisme, la forme de magnétisme intrinsèque aux matériaux comme le fer. Il est normalement absent du diséléniure de tungstène et du disulfure de tungstène. Chaque unité répétitive dans le super-réseau de moiré agit essentiellement comme un point quantique pour « piéger » un spin d’électron, a déclaré Xu. Des spins d’électrons piégés qui peuvent « parler » les uns aux autres, comme ils le peuvent, ont été suggérés comme base pour un type de qubit, l’unité de base des ordinateurs quantiques qui pourraient exploiter les propriétés uniques de la mécanique quantique pour le calcul.

    Dans un article séparé publié le 25 novembre dans Science, Xu et ses collaborateurs ont découvert de nouvelles propriétés magnétiques dans les super-réseaux moirés formés par des feuilles ultrafines de triiodure de chrome. Contrairement au diséléniure de tungstène et au disulfure de tungstène, le triiodure de chrome possède des propriétés magnétiques intrinsèques, même en tant que feuille atomique unique. Des couches de triiodure de chrome empilées ont formé des domaines magnétiques alternés : un qui est ferromagnétique – avec des spins tous alignés dans la même direction – et un autre qui est « antiferromagnétique », où les spins pointent dans des directions opposées entre les couches adjacentes du super-réseau et essentiellement « annulent chacun l’autre », selon Xu. Cette découverte met également en lumière les relations entre la structure d’un matériau et son magnétisme qui pourraient propulser les avancées futures de l’informatique, du stockage de données et d’autres domaines.

    « Il vous montre les » surprises « magnétiques qui peuvent se cacher dans les super-réseaux moirés formés par des matériaux quantiques 2D », a déclaré Xu. « Vous ne pouvez jamais être sûr de ce que vous trouverez à moins de regarder. »

    Premier auteur du Nature papier est Xi Wang, un chercheur postdoctoral UW en physique et chimie. Les autres co-auteurs sont Chengxin Xiao de l’Université de Hong Kong ; Heonjoon Park et Jiayi Zhu, doctorants en physique de l’UW ; Chong Wang, chercheur à l’UW en science et ingénierie des matériaux; Takashi Taniguchi et Kenji Watanabe de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon ; et Jiaqiang Yan au laboratoire national d’Oak Ridge. La recherche a été financée par le Département américain de l’énergie ; le bureau de recherche de l’armée américaine ; la Fondation nationale des sciences des États-Unis ; la Fondation Ccroucher; le Comité des bourses universitaires/Conseil des bourses de recherche de la région administrative spéciale de Hong Kong ; le ministère japonais de l’éducation, de la culture, des sports, des sciences et de la technologie ; la Société japonaise pour la promotion de la science ; l’Agence japonaise pour la science et la technologie ; l’état de Washington; et l’UW.

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