Une nouvelle forme de silicium cible l’informatique quantique

Selon ses développeurs, une nouvelle forme de silicium appelée Q-silicon pourrait être la solution. Des chercheurs de la North Carolina State University qui ont rapporté le matériel dans la revue Lettres de recherche sur les matériaux disons qu’il a des propriétés adaptées non seulement à l’informatique quantique, mais aussi aux batteries lithium-ion.

Pour tromper Mère Nature, il faut surmonter les contraintes thermodynamiques, donc il faut le faire très, très vite.
Jay Narayan, Université d’État de Caroline du Nord

Le silicium se présente généralement sous trois formes : cristalline, dans laquelle les atomes ont une structure bien ordonnée ; amorphe, où les atomes sont situés au hasard ; et polycristallin, où des unités cristallines plus petites sont connectées de manière aléatoire. Dans le type cristallin, les atomes de silicium sont emballés comme des atomes de carbone dans le diamant, avec quatre atomes formant les coins d’une pyramide.

Le silicium Q a un arrangement aléatoire de ces pyramides en forme de diamant qui se traduit par des atomes plus denses et moins d’espace libre. Jay Narayan, professeur de science et d’ingénierie des matériaux au NCSU, et ses collègues ont créé le Q-silicium en faisant exploser du silicium amorphe avec des impulsions d’une nanoseconde d’un laser haute puissance, puis en le refroidissant en un cinquième de microseconde.

C’est assez rapide pour que la thermodynamique conventionnelle ne prenne pas le relais pour réorganiser les atomes dans l’une des trois formes naturelles du silicium. Pour tromper Mère Nature, vous devez surmonter les contraintes thermodynamiques, vous devez donc le faire très, très vite, dit Narayan.

Comment le Q-silicon peut-il être utilisé pour les qubits ou les batteries ?

Le silicium-Q, selon les chercheurs, révèle des propriétés inédites dans le silicium ordinaire. D’une part, il est ferromagnétique à température ambiante. Ferromagnétisme, la propriété par laquelle les matériaux deviennent magnétisés lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique externe, puis conservent cet état magnétisé par la suite. Le ferromagnétisme se trouve généralement dans les métaux comme le fer et le nickel et découle des propriétés globales des atomes dans un solide. Leurs dipôles magnétiques peuvent être alignés par des champs externes et conserver leur place une fois ces champs disparus. Mais si des électrons individuels dans ces matériaux peuvent être isolés, ces spins d’électrons qui peuvent eux-mêmes être ascendants ou descendants ou des combinaisons quantiques intermédiaires des deux pourraient également être utilisés comme qubit, comme moyen de coder des informations quantiques.

Le nombre pair d’électrons dans le carbone et le silicium signifie généralement que leurs charges existent toutes par paires avec des spins opposés, qui annulent les champs magnétiques les uns des autres. Ainsi, conserver et manipuler des spins d’électrons individuels dans le silicium n’a généralement pas été une option pour les ingénieurs et les spécialistes des matériaux. Le ferromagnétisme nécessite des électrons uniques, ou des spins non appariés, dit Narayan. Cependant, avec la fusion et le refroidissement rapides, nous sommes capables de créer des spins non appariés qui sont ferromagnétiques, dit-il. L’idée est que si le silicium peut avoir un spin non apparié, alors vous pouvez stocker des informations dans ce spin.

Exploiter le spin est un défi, et les gens ont essayé de lire les états de spin des atomes de phosphore implantés dans le silicium comme chemin vers les ordinateurs quantiques. Narayan dit que le Q-silicium pourrait simplifier l’exploitation du spin dans les atomes de silicium. Vous pouvez créer des ordinateurs quantiques et toutes sortes d’autres applications intéressantes maintenant, dit-il, car le silicium-Q est ferromagnétique à température ambiante.

De plus, lorsqu’il est dopé avec des atomes de bore, les chercheurs rapportent que le silicium-Q devient supraconducteur. Les supraconducteurs connus n’affichent généralement leurs pouvoirs supraconducteurs qu’à de très basses températures, d’où le scepticisme qui fait face à tout rapport sur les supraconducteurs à température ambiante.

Les supraconducteurs les plus chauds à pression ambiante connus à ce jour deviennent supraconducteurs en dessous de 130 kelvins. Narayan et ses collègues disent que le silicium Q dopé au bore passe au supraconducteur à 174 K.

Les chercheurs prévoient de faire la démonstration d’ordinateurs quantiques à base de silicium Q dans un avenir proche, explique Narayan. Mais ils cherchent également à développer le potentiel des matériaux pour les applications de batteries. Nous allons créer des batteries lithium et sodium-ion à haute puissance et à haut rendement, dit-il.

Pour utiliser le Q-silicium pour les batteries, Narayan dit qu’ils vont combiner le Q-silicium avec un autre matériau apparenté, appelé Q-carbon, qu’ils ont découvert en 2015. Les deux matériaux, disent les chercheurs, prennent plus d’ions lithium que les anodes à base de graphite utilisées. dans les batteries d’aujourd’hui. Le graphite, dit-il, a une capacité de stockage de courant de 200 milliampères par gramme. En revanche, dit-il, Q-carbon a une capacité de 500 mA/g. Pendant ce temps, dit-il, Q-silicon affiche 1 000 mA/g. Combinez-les ensemble et ils font la meilleure anode pour les batteries lithium-ion, affirme-t-il.

Les chercheurs se sont associés à la société allemande Koening Systems pour lancer une startup appelée Q-Power Batteries.