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Sep 01, 2023

Une nouvelle forme de silicium cible l’informatique quantique

Certains des ordinateurs quantiques les plus prometteurs ont jusqu'à présent impliqué des matériaux et des systèmes exotiques, notamment des matériaux supraconducteurs refroidis à un zéro quasi absolu et des ions et atomes flottants contenus dans

Certains des ordinateurs quantiques les plus prometteurs ont jusqu’à présent impliqué des matériaux et des systèmes exotiques, notamment des matériaux supraconducteurs refroidis à un zéro quasi absolu et des ions et atomes flottants retenus dans des champs électriques et des pièges laser. Pourtant, le vieux silicium familier serait nettement plus évolutif et plus pratique s’il existait des moyens fiables de construire des qubits et des circuits quantiques aussi facilement que les transistors et les portes logiques conventionnels.

Une nouvelle forme de silicium appelée Q-silicon pourrait être la solution, affirment ses développeurs. Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord qui ont rapporté ce matériau dans la revue Materials Research Letters affirment qu'il possède des propriétés adaptées non seulement à l'informatique quantique, mais également 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 : cristallin, dans lequel 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 regroupés comme les atomes de carbone dans le diamant, quatre atomes formant les coins d'une pyramide.

Le silicium Q présente une disposition aléatoire de ces pyramides en forme de diamant, ce qui donne lieu à des atomes plus densément emballés et à moins d'espace libre. Jay Narayan, professeur de science et d'ingénierie des matériaux au NCSU, et ses collègues ont créé le silicium Q en projetant 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 suffisamment 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", explique Narayan.

Les chercheurs montrent que le silicium Q révèle des propriétés inédites dans le silicium ordinaire. D’une part, il est ferromagnétique à température ambiante. Ferromagnétisme, propriété par laquelle les matériaux deviennent magnétisés lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique externe et conservent ensuite cet état magnétisé. Le ferromagnétisme se trouve généralement dans des métaux comme le fer et le nickel et résulte des propriétés globales des atomes d'un solide. Leurs dipôles magnétiques peuvent être alignés par des champs externes puis conserver leur place une fois ces champs disparus. Mais si les électrons individuels dans ces matériaux pouvaient être isolés, les spins de ces électrons – qui peuvent eux-mêmes être ascendants ou descendants ou des combinaisons quantiques intermédiaires des deux – pourraient également être utilisés comme qubits, 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 de chacun. Ainsi, conserver et manipuler les spins électroniques individuels dans le silicium n’est généralement pas une option pour les ingénieurs et les scientifiques des matériaux. Le ferromagnétisme nécessite des électrons simples ou des spins non appariés, explique Narayan. Cependant, « grâce à la fusion et au refroidissement rapides, nous sommes capables de créer des spins non appariés 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 pour accéder aux ordinateurs quantiques. Narayan dit que le silicium Q pourrait permettre de tirer plus facilement parti du spin des atomes de silicium. "Vous pouvez désormais créer des ordinateurs quantiques et toutes sortes d'autres applications intéressantes", 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 affichent généralement leurs pouvoirs supraconducteurs uniquement à des températures très basses, d'où le scepticisme qui entoure tout rapport faisant état de 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 affirment que le silicium Q dopé au bore devient supraconducteur à 174 K.