Un candidat de premier plan pour l’informatique quantique sans faille offre une surprise

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Un candidat de premier plan pour l'informatique quantique sans faille offre une surprise

Une impression d’artiste d’un neutron frappant un échantillon de ditellurure d’uranium supraconducteur lors d’expériences au laboratoire national d’Oak Ridge. Les cristaux d’uranium (gris foncé) et de tellure (brun) sont suspectés d’héberger une supraconductivité spin-triplet, un état marqué par des paires d’électrons avec des spins pointés dans la même direction (bleu). Dans les expériences de diffusion de neutrons, les neutrons entrants perturbent les paires en retournant un spin dans la direction opposée (rouge), révélant des preuves révélatrices de l’état mécanique quantique des paires. Crédit : Jill Hemman/ORNL

Une étude dirigée par l’Université Rice oblige les physiciens à repenser la supraconductivité dans le ditellurure d’uranium, un matériau de liste A dans la course mondiale pour créer des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes.

On pense que les cristaux de ditellurure d’uranium hébergent une forme rare de supraconductivité « spin-triplet », mais des résultats expérimentaux déroutants publiés cette semaine dans Nature ont bouleversé l’explication principale de la façon dont l’état de la matière pourrait survenir dans le matériau. Des expériences de diffusion de neutrons menées par des physiciens de Rice, du Oak Ridge National Laboratory, de l’Université de Californie à San Diego et du National High Magnetic Field Laboratory de la Florida State University ont révélé des signes révélateurs de fluctuations de spin antiferromagnétiques couplées à la supraconductivité dans le ditellurure d’uranium.

La supraconductivité spin-triplet n’a pas été observée dans un matériau à l’état solide, mais les physiciens ont longtemps soupçonné qu’elle provenait d’un état ordonné ferromagnétique. La course à la recherche de matériaux à triplet de spin s’est accélérée ces dernières années en raison de leur potentiel d’hébergement de quasi-particules insaisissables appelées fermions de Majorana qui pourraient être utilisées pour fabriquer des ordinateurs quantiques sans erreur.

« Les gens ont dépensé des milliards de dollars à essayer de les rechercher », a déclaré Pengcheng Dai, co-auteur de l’étude Rice, à propos des fermions de Majorana, des quasiparticules hypothétiques qui pourraient être utilisées pour libérer les bits quantiques topologiques de la décohérence problématique qui afflige les qubits dans les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui.

« La promesse est que si vous avez un supraconducteur à spin triplet, il peut potentiellement être utilisé pour créer des qubits topologiques », a déclaré Dai, professeur de physique et d’astronomie et membre de la Rice Quantum Initiative. « Vous ne pouvez pas faire cela avec des supraconducteurs à spin unique. C’est pourquoi les gens sont extrêmement intéressés par cela. »

La supraconductivité se produit lorsque les électrons forment des paires et se déplacent comme un seul, comme des couples filant sur une piste de danse. Les électrons se détestent naturellement les uns les autres, mais leur tendance à éviter les autres électrons peut être surmontée par leur désir inhérent d’une existence à faible énergie. Si l’appariement permet aux électrons d’atteindre un état plus semblable à celui de la paresse qu’ils ne pourraient le faire seuls, ce qui n’est possible qu’à des températures extrêmement froides, ils peuvent être cajolés en paires.

Le cajolerie se présente sous la forme de fluctuations dans leur environnement physique. Dans les supraconducteurs normaux, comme le plomb, les fluctuations sont des vibrations dans le réseau atomique des atomes de plomb à l’intérieur du fil supraconducteur. Les physiciens doivent encore identifier les fluctuations qui entraînent une supraconductivité non conventionnelle dans des matériaux comme le ditellurure d’uranium. Mais des décennies d’études ont trouvé des changements de phase à des moments décisifs où les électrons se réarrangent spontanément aux points critiques où commence l’appariement.

Dans les équations de la mécanique quantique, ces arrangements ordonnés spontanés sont représentés par des termes appelés paramètres d’ordre. Le nom de triplet de spin fait référence à la rupture spontanée de trois symétries dans ces arrangements ordonnés. Par exemple, les électrons tournent constamment, comme de minuscules barres magnétiques. Un paramètre d’ordre concerne leur axe de rotation (pensez au pôle nord), qui pointe vers le haut ou vers le bas. L’ordre ferromagnétique est lorsque tous les spins pointent dans la même direction, et l’ordre antiferromagnétique est lorsqu’ils alternent dans un arrangement haut-bas et haut-bas. Dans le seul spin-triplet confirmé, l’hélium-3 superfluide, le paramètre d’ordre n’a pas moins de 18 composantes.

« Toutes les autres supraconductivités sont des singules de spin », a déclaré Dai, qui est également membre du Rice’s Center for Quantum Materials (RCQM). « Dans un singulet de spin, vous avez un spin up et un spin down, et si vous mettez un champ magnétique, il peut facilement détruire la supraconductivité. »

C’est parce que le champ magnétique pousse les spins à s’aligner dans la même direction. Plus le champ est fort, plus la poussée est forte.

Un candidat de premier plan pour l'informatique quantique sans faille offre une surprise

Les physiciens de l’Université Rice (de gauche à droite) Pengcheng Dai, Chunruo Duan et Qimiao Si ont co-écrit une étude qui a révélé des résultats déroutants sur le ditellurure d’uranium, un matériau longtemps soupçonné d’héberger une forme rare de supraconductivité à triple spin. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice

« Le problème avec le ditellurure d’uranium est que le champ requis pour détruire la supraconductivité est de 40 Tesla », a déclaré Dai. « C’est énorme. Pendant 40 ans, les gens ont pensé que la seule possibilité que cela se produise est que lorsque vous mettez un champ, les rotations sont déjà alignées dans une direction, ce qui signifie que c’est un ferromagnétique. »

Dans l’étude, Chunruo Duan, associé de recherche postdoctorale de Dai et Rice, l’auteur principal de l’étude, a travaillé avec le co-auteur de l’État de Floride, Ryan Baumbach, dont le laboratoire a cultivé les échantillons de monocristal de ditellurure d’uranium utilisés dans l’expérience, et le co-auteur de l’UC San Diego. Brian Maple, dont le laboratoire a testé et préparé les échantillons pour des expériences de diffusion de neutrons à la source de neutrons de spallation d’Oak Ridge.

« Ce que fait le neutron, c’est d’entrer avec une énergie et un élan particuliers, et il peut faire basculer les spins de la paire de Cooper d’un état ascendant à un état ascendant », a déclaré Dai. « Cela vous indique comment les paires sont formées. À partir de cette résonance de spin des neutrons, on peut essentiellement déterminer l’énergie d’appariement des électrons » et d’autres propriétés révélatrices de la fonction d’onde de la mécanique quantique qui décrit la paire, a-t-il déclaré.

Dai a déclaré qu’il y a deux explications possibles pour le résultat : soit le ditellurure d’uranium n’est pas un supraconducteur à spin-triplet, soit la supraconductivité à spin-triplet résulte de fluctuations de spin antiferromagnétiques d’une manière que les physiciens n’avaient pas imaginée auparavant. Dai a déclaré que des décennies de preuves expérimentales indiquaient ce dernier point, mais cela semble violer la sagesse conventionnelle sur la supraconductivité. Dai a donc fait équipe avec son collègue de Rice, Qimiao Si, un physicien théoricien spécialisé dans les phénomènes quantiques émergents comme la supraconductivité non conventionnelle.

Si, un co-auteur de l’étude, a passé une grande partie des cinq dernières années à montrer une théorie de l’appariement multiorbital qu’il a co-développé avec un ancien doctorat. L’étudiant Emilian Nica explique les résultats expérimentaux contradictoires dans plusieurs types de supraconducteurs non conventionnels, y compris les fermions lourds, la classe qui comprend le ditellurure d’uranium.

Dans l’appariement multiorbital, les électrons de certaines couches atomiques sont plus susceptibles de former des paires que d’autres. Si s’est rappelé avoir pensé que l’uranium avait le potentiel de fournir des électrons appariés à partir de l’une des sept orbitales avec 14 états possibles.

« Les multiorbitales ont été la première chose qui m’est venue à l’esprit », a-t-il déclaré. « Ce ne serait pas possible si vous n’aviez qu’une seule bande ou une seule orbitale, mais les orbitales apportent une nouvelle dimension à d’éventuels appariements supraconducteurs non conventionnels. Ils sont comme une palette de couleurs. Les couleurs sont les nombres quantiques internes et les électrons f dans les matériaux à base d’uranium, les matériaux à fermions lourds sont naturellement configurés pour avoir ces couleurs, ce qui conduit à de nouvelles possibilités qui vont au-delà du « tableau périodique des états d’appariement ». L’une de ces nouvelles possibilités s’avère être l’appariement spin-triplet. »

Si et Nica, qui sont maintenant à l’Arizona State University, ont montré que des corrélations antiferromagnétiques pourraient donner lieu à des états d’appariement spin-triplet plausibles et de faible énergie.

« Les états d’appariement spin-triplet sont hautement improbables dans la grande majorité des cas, car les paires se formeront en tant que spin-singlets afin de réduire leur énergie », a déclaré Si. « Dans le ditellurure d’uranium, le couplage spin-orbite peut changer le paysage énergétique d’une manière qui rend les états d’appariement spin-triplet plus compétitifs avec leurs homologues spin-singulet. »

Si est professeur Harry C. et Olga K. Wiess au département de physique et d’astronomie de Rice et directeur du RCQM. Les co-auteurs supplémentaires incluent Andrey Podlesnyak d’Oak Ridge et Yuhang Deng, Camilla Moir et Alexander Breindel de UC San Diego.


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Plus d’information:
Pengcheng Dai, Résonance des fluctuations de spin antiferromagnétiques pour la supraconductivité dans UTe2, La nature (2021). DOI : 10.1038 / s41586-021-04151-5. www.nature.com/articles/s41586-021-04151-5

Fourni par l’Université Rice

Citation: Un candidat de la liste A pour l’informatique quantique sans faute livre une surprise (2021, 22 décembre) récupéré le 30 décembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-12-a-list-candidate-fault-free-quantum. html

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