Un nouvel instrument mesure le flux de supercourants, les données ont des applications en informatique quantique

Wang, professeur de physique et d’astronomie à l’Université d’État de l’Iowa, également affilié au laboratoire national Ames du Département américain de l’énergie, a décrit comment l’instrument fonctionne à des échelles extrêmes d’espace, de temps et d’énergie – des milliardièmes de mètre, des quadrillionièmes de seconde et trillions d’ondes électromagnétiques par seconde.

Wang a souligné et expliqué les systèmes de contrôle, la source laser, le labyrinthe de miroirs qui forment un chemin optique pour la lumière pulsée à des milliards de cycles par seconde, l’aimant supraconducteur qui entoure l’espace échantillon, le microscope à force atomique sur mesure, le cryostat jaune vif qui abaisse la température de l’échantillon jusqu’à la température de l’hélium liquide, environ -450 degrés Fahrenheit.

Wang appelle l’instrument un microscope optique cryogénique magnéto-térahertz à balayage en champ proche. (C’est cm-SNOM en abrégé.) Il est basé à l’installation d’instruments sensibles du laboratoire national d’Ames, juste au nord-ouest du campus de l’État de l’Iowa.

Il a fallu cinq ans et 2 millions de dollars – 1,3 million de dollars de la Fondation WM Keck de Los Angeles et 700 000 $ de l’Iowa State et du Ames National Laboratory – pour construire l’instrument. Il recueille des données et contribue à des expériences depuis moins d’un an.

“Personne ne l’a”, a déclaré Wang à propos du nanoscope à l’échelle extrême. “C’est la première au monde.”

Il peut se concentrer jusqu’à environ 20 nanomètres, ou 20 milliardièmes de mètre, tout en fonctionnant en dessous des températures de l’hélium liquide et dans de forts champs magnétiques Tesla. C’est assez petit pour obtenir une lecture sur les propriétés supraconductrices des matériaux dans ces environnements extrêmes.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui conduisent l’électricité — les électrons — sans résistance ni chaleur, généralement à des températures très froides. Les matériaux supraconducteurs ont de nombreuses utilisations, y compris des applications médicales telles que les analyses IRM et comme pistes de course magnétiques pour les particules subatomiques chargées qui accélèrent autour des accélérateurs tels que le Large Hadron Collider.

Désormais, les matériaux supraconducteurs sont envisagés pour l’informatique quantique, la génération émergente de puissance de calcul basée sur la mécanique et les énergies aux échelles atomique et subatomique du monde quantique. Les bits quantiques supraconducteurs, ou qubits, sont au cœur de la nouvelle technologie. Une stratégie pour contrôler les flux de supercourants dans les qubits consiste à utiliser de fortes impulsions d’ondes lumineuses.

“La technologie supraconductrice est un objectif majeur pour l’informatique quantique”, a déclaré Wang. “Nous devons donc comprendre et caractériser la supraconductivité et comment elle est contrôlée par la lumière.”

Et c’est ce que fait l’instrument cm-SNOM. Comme décrit dans un article de recherche qui vient d’être publié par la revue Nature Physics et un article préimprimé publié sur le site Web d’arXiv (voir les encadrés), Wang et une équipe de chercheurs prennent les premières mesures moyennes d’ensemble du flux supercourant dans les supraconducteurs à base de fer à térahertz. (trillions d’ondes par seconde) échelles d’énergie et la première action cm-SNOM pour détecter l’effet tunnel de supercourant térahertz dans un supraconducteur cuprate à haute température à base de cuivre.

“Il s’agit d’une nouvelle façon de mesurer la réponse de la supraconductivité sous des impulsions d’ondes lumineuses”, a déclaré Wang. “Nous utilisons nos outils pour offrir une nouvelle vision de cet état quantique à l’échelle du nanomètre pendant les cycles térahertz.”

Ilias Perakis, professeur et président de physique à l’Université de l’Alabama à Birmingham, un collaborateur de ce projet qui a développé la compréhension théorique de la supraconductivité contrôlée par la lumière, a déclaré : « En analysant les nouveaux ensembles de données expérimentales, nous pouvons développer des méthodes de tomographie avancées pour observer les états intriqués quantiques dans les supraconducteurs contrôlés par la lumière.”

L’article des chercheurs rapporte que “les interactions capables de conduire” ces supercourants “sont encore mal comprises, en partie à cause du manque de mesures”.

Maintenant que ces mesures se produisent au niveau de l’ensemble, Wang envisage les prochaines étapes pour mesurer l’existence de supercourants en utilisant le cm-SNOM à des échelles nanométriques et térahertz simultanées. Avec le soutien du Superconducting Quantum Materials and Systems Center dirigé par le Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l’énergie dans l’Illinois, son groupe cherche des moyens de rendre le nouvel instrument encore plus précis. Les mesures pourraient-elles aller jusqu’à la précision de la visualisation de l’effet tunnel supracourant au niveau de jonctions Josephson uniques, le mouvement des électrons à travers une barrière séparant deux supraconducteurs ?

“Nous devons vraiment mesurer jusqu’à ce niveau pour avoir un impact sur l’optimisation des qubits pour les ordinateurs quantiques”, a-t-il déclaré. “C’est un grand objectif. Et ce n’est maintenant qu’un petit pas dans cette direction. C’est un pas à la fois.”