Libérer la puissance des matériaux quantiques grâce à une technologie révolutionnaire

Une puissante combinaison de calcul à haut débit et de techniques de fabrication précises a été développée pour accélérer la découverte de défauts quantiques.

• Pour la première fois, des chercheurs ont démontré une approche combinant calcul à haut débit et fabrication à l’échelle atomique pour concevoir des défauts quantiques à haute performance.
• Ces méthodes offrent une nouvelle voie pour accélérer la découverte de matériaux quantiques pour des applications révolutionnaires dans les domaines de l’informatique, des télécommunications et des capteurs.
• L’équipe d’étude a identifié et fabriqué avec précision un défaut quantique prometteur qui remplace un soufre atome avec du cobalt dans le disulfure de tungstène.

Des scientifiques du Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département de l’énergie (Berkeley Lab) et de plusieurs institutions collaboratrices ont démontré avec succès une approche innovante pour trouver des matériaux révolutionnaires pour les applications quantiques. Cette approche utilise des méthodes de calcul rapides pour prédire les propriétés de centaines de matériaux, en identifiant une liste restreinte des plus prometteurs. Des méthodes de fabrication précises sont ensuite utilisées pour fabriquer les matériaux présélectionnés et évaluer plus avant leurs propriétés.

L’équipe d’étude comprenait des chercheurs du Dartmouth College, de l’Université Penn State, de l’Université Catholique de Louvain (UCLouvain) et de l’Université de Californie à Merced.

« Ensemble, ces méthodes ouvrent la voie aux chercheurs pour accélérer la découverte de matériaux quantiques dotés de fonctionnalités spécifiques qui peuvent révolutionner l’informatique, les télécommunications et les capteurs. »

– Alex Weber-Bargioni

« Dans notre approche, le criblage théorique guide l’utilisation ciblée de la fabrication à l’échelle atomique », a déclaré Alex Weber-Bargioni, l’un des principaux chercheurs de l’étude et scientifique à la Molecular Foundry du Berkeley Lab, où une grande partie de cette recherche a été menée. « Ensemble, ces méthodes ouvrent la voie aux chercheurs pour accélérer la découverte de matériaux quantiques dotés de fonctionnalités spécifiques qui peuvent révolutionner l’informatique, les télécommunications et les capteurs. »

La promesse des défauts quantiques

L’informatique quantique repose sur l’utilisation de phénomènes à l’échelle atomique pour encoder, traiter et transmettre des informations. L’un des moyens de parvenir à ce contrôle consiste à créer des défauts dans les matériaux, par exemple en remplaçant un type d’atome par un autre. Ces défauts peuvent être intégrés dans des systèmes permettant des applications quantiques.

« Pour que les défauts puissent être utilisés dans des applications quantiques, ils doivent avoir des propriétés et des structures électroniques très spécifiques », explique Geoffroy Hautier, chercheur en matériaux à Dartmouth et responsable du projet. « Ils doivent de préférence être capables d’absorber et d’émettre de la lumière dont les longueurs d’onde se situent dans le domaine visible ou dans celui des télécommunications. »

Les matériaux bidimensionnels (2D) – qui n’ont qu’un atome ou une molécule d’épaisseur – sont des candidats de choix pour héberger de tels défauts quantiques à haute performance en raison de leurs propriétés électroniques et de leur accordabilité uniques.

Défis et solutions innovantes

Il y a cependant un hic : les défauts dotés de bonnes propriétés quantiques sont très difficiles à trouver.

« Considérez le matériau disulfure de tungstène (WS₂), a déclaré Sinéad Griffin, scientifique du Berkeley Lab et l’un des principaux chercheurs de l’étude. « Si l’on tient compte des dizaines d’éléments du tableau périodique qui pourraient être insérés dans ce matériau et de tous les emplacements atomiques possibles pour l’insertion, des centaines de défauts possibles pourraient être créés. Au-delà du WS₂« Si vous considérez des milliers de matériaux possibles pour les défauts, les possibilités sont littéralement infinies. »

Les défauts quantiques fonctionnels sont généralement découverts par accident. L’approche traditionnelle consiste pour les expérimentateurs à fabriquer et à évaluer les défauts un par un. Si un défaut n’a pas de bonnes propriétés, ils répètent le processus pour un autre. Lorsqu’un bon défaut est finalement trouvé, les théoriciens cherchent à savoir pourquoi ses propriétés sont bonnes. Exploration des centaines de défauts possibles pour WS₂ de cette manière, cela prendrait plusieurs décennies.

« Prenons le cas du disulfure de tungstène. Si l’on tient compte des dizaines d’éléments du tableau périodique qui pourraient être insérés dans ce matériau et de tous les emplacements atomiques possibles pour l’insertion, des centaines de défauts pourraient être créés. Au-delà du WS2, si l’on considère des milliers de matériaux possibles pour les défauts, les possibilités sont littéralement infinies. »

– Sinéad Griffin

Exploiter la puissance de calcul

L’équipe de recherche a inversé cette approche traditionnelle, en commençant par la théorie et en terminant par des expériences. L’idée de base : utiliser le calcul théorique comme guide pour identifier un nombre beaucoup plus restreint de défauts prometteurs que les expérimentateurs pourraient fabriquer.

Hautier, Griffin et les chercheurs postdoctoraux Yihuang Xiong (Dartmouth) et Wei Chen (UCLouvain) ont développé des méthodes de calcul de pointe à haut débit pour filtrer et prédire avec précision les propriétés de plus de 750 défauts dans les WS 2D₂Les défauts impliquaient la substitution d’un atome de tungstène ou de soufre par l’un des 57 autres éléments. Les calculs ont été conçus pour identifier les défauts présentant un ensemble optimal de propriétés liées à la stabilité, à la structure électronique et à l’absorption et à l’émission de lumière.

Les calculs massifs, basés sur les principes de la mécanique quantique, ont profité des ressources de calcul haute performance du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Berkeley Lab. L’analyse a identifié un défaut – créé par la substitution d’un atome de soufre par un atome de cobalt – avec des propriétés quantiques particulièrement bonnes. Avant l’étude, aucun défaut dans WS₂ était connu pour avoir ces propriétés.

En plus du format de publication traditionnel, l’équipe partage les résultats de ses recherches avec la communauté scientifique mondiale dans une base de données accessible au public appelée Quantum Defect Genome. Les chercheurs ont lancé la base de données avec WS₂ et l’ont étendu à d’autres matériaux hôtes tels que le silicium. L’objectif est d’encourager d’autres chercheurs à apporter leurs données et à constituer une grande base de données sur les défauts et leurs propriétés pour divers matériaux hôtes.

Jouer avec les atomes comme avec des briques LEGO

L’étape suivante consistait pour les expérimentateurs à fabriquer et à examiner ce défaut de cobalt. Une telle tâche a toujours été compliquée par le manque de contrôle sur l’endroit où les défauts se forment dans les matériaux. Mais les chercheurs du Berkeley Lab ont trouvé une solution. En travaillant à la Molecular Foundry, l’équipe a développé et appliqué une technique qui permet une précision de fabrication au niveau atomique.

Voici comment cela fonctionne : Un WS 2D₂ L’échantillon a été chauffé dans un vide à très basse température et sa surface a été bombardée d’ions d’argon à l’angle et à l’énergie appropriés. Cela a provoqué l’éjection d’une petite fraction des atomes de soufre, laissant de minuscules trous dans le matériau. Un brouillard d’atomes de cobalt a été appliqué sur la surface. La pointe métallique acérée d’un microscope à effet tunnel a été utilisée pour trouver un trou et y introduire un atome de cobalt, comme au golf. Enfin, les chercheurs ont utilisé la pointe du microscope pour mesurer les propriétés électroniques du défaut de cobalt.

« La pointe du microscope peut voir des atomes individuels et « Nous pouvons les déplacer », explique John Thomas, chercheur postdoctoral du Berkeley Lab qui a réalisé la fabrication. « Cela nous permet de sélectionner un emplacement spécifique pour l’atome de cobalt et de faire correspondre la structure du défaut identifié dans l’analyse informatique. Nous jouons essentiellement avec des atomes comme des briques LEGO. »

Cette méthode permet notamment de fabriquer des défauts identiques. Cela est nécessaire pour que les défauts puissent interagir entre eux dans les applications quantiques, phénomène connu sous le nom d’intrication. Dans les communications quantiques, par exemple, une application possible consiste à ce que les défauts transmettent des informations sur un câble à fibre optique longue distance par émission et absorption de lumière.

Confirmation expérimentale des prédictions théoriques

Les mesures expérimentales de la structure électronique du défaut concordent avec les prédictions informatiques, démontrant ainsi la précision des prédictions.

« Ce résultat crucial démontre l’efficacité de la combinaison de nos approches de calcul et de fabrication pour identifier les défauts aux propriétés recherchées », a déclaré Weber-Bargioni. « Il souligne l’intérêt d’utiliser ces approches à l’avenir. »

« De nombreux facteurs ont contribué au succès de cette étude », a déclaré Hautier. « Outre les méthodes de calcul et de fabrication, notre secret réside dans la façon dont les théoriciens et les expérimentateurs ont collaboré. Nous nous sommes rencontrés régulièrement et nous nous sommes constamment fait part de nos commentaires sur nos méthodes afin d’optimiser l’étude dans son ensemble. Cette collaboration étroite a été rendue possible grâce au financement commun de toute l’équipe. »

L’équipe va maintenant procéder à des mesures supplémentaires des propriétés du défaut de cobalt et étudier comment les améliorer. Les chercheurs prévoient également d’utiliser leurs méthodes de calcul et de fabrication pour identifier d’autres défauts à hautes performances. Par exemple, les états quantiques souhaités sont fragiles et peuvent être facilement perturbés par de minuscules vibrations qui se produisent naturellement dans les matériaux. Il pourrait être possible de concevoir des défauts protégés de ces vibrations.

« La capacité de construire des matériaux complexes avec une précision atomique – guidée par la théorie – nous permet d’optimiser considérablement leurs propriétés et de découvrir potentiellement des fonctionnalités matérielles pour lesquelles nous n’avons même pas de nom aujourd’hui », a déclaré Weber-Bargioni. « Nous avons construit un immense terrain de jeu dans lequel nous pouvons jouer. »

La fonderie moléculaire et le NERSC sont des installations d’utilisation du DOE Office of Science au Berkeley Lab.

La recherche a été financée en partie par le Bureau des sciences du DOE.