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Les nanofils ultrafins pourraient être une aubaine pour l'informatique quantique résistante aux erreurs

Horodatage: 27 mai 2022, 5 h 00

Les chercheurs ont fabriqué des nanofils hybrides semi-conducteurs-supraconducteurs ultrafins mesurant moins de 20 nm de diamètre. Ces fils sont plus fins que ceux cultivés auparavant et devraient héberger des phénomènes connus sous le nom de modes zéro de Majorana – l’ingrédient central des bits quantiques topologiques (qubits), qui pourraient constituer la base d’un ordinateur quantique stable et résistant aux erreurs.

À l’origine, les modes zéro de Majorana (MZM) étaient simplement une construction mathématique permettant de décrire théoriquement un électron comme étant composé de deux moitiés. Du point de vue de l’informatique quantique, ils sont intéressants car si un électron peut être « divisé » en deux, les informations quantiques qu’il code seront protégées des perturbations locales tant que les « demi-électrons » peuvent être stockés loin les uns des autres. Selon la théorie, ces entités devraient apparaître dans un ensemble constitué d'un nanofil semi-conducteur enveloppé dans une coque en matériau supraconducteur et placé dans un champ magnétique.

En théorie, le type de nanofil le plus simple dans lequel les MZM devraient apparaître est un système électronique unidimensionnel, c'est-à-dire dans lequel les électrons occupent une seule sous-bande électronique dans le semi-conducteur. Cependant, dans les expériences, plusieurs sous-bandes sont occupées.

nanofils hybrides semi-conducteurs-supraconducteurs ultrafins
Les nanofils hybrides semi-conducteurs-supraconducteurs ultrafins et les mesures des caractéristiques de transport. (Avec l'aimable autorisation de H Zhang)

Diamètre inférieur à 20 nm

Dans une nouvelle étude, des chercheurs dirigés par Jianhua Zhao et Dong Pan du Laboratoire clé d'État des super-réseaux et des microstructures, Institut des semi-conducteurs, Académie chinoise des sciences, ont développé des nanofils ultrafins d'arséniure d'indium semi-conducteur (InAs) recouverts d'un sur place film d'aluminium (Al) supraconducteur épitaxial en utilisant une technique appelée épitaxie par jet moléculaire (MBE). Ils ont utilisé un catalyseur à l’argent (Ag) pour faire croître les fils – une technique couramment utilisée dans ce type d’expérience. Les nouveaux nanofils ont un diamètre inférieur à 20 nm, soit cinq fois plus petit que les nanofils semi-conducteurs précédemment développés selon cette approche.

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Le diamètre des fils dépend du diamètre du catalyseur Ag, et Zhao explique que de très petits catalyseurs Ag (allant de 5 à 40 nm) peuvent être préparés à l'aide du système MBE de l'équipe. La qualité cristalline des fils dépend également de leur diamètre et les fils cultivés dans la nouvelle étude sont de haute qualité.

Nouvelle voie pour les futures recherches de MZM

"Lorsqu'ils sont combinés avec des films supraconducteurs en Al, ces fils ultra-fins offrent un moyen possible d'atteindre le régime à moins de sous-bandes (et finalement le régime à sous-bande unique)", Hao Zhang of Université Tsinghua, qui a dirigé les mesures de transport d'électrons dans le cadre de ce travail, raconte Monde de la physique. "Ces câbles ouvrent donc une nouvelle voie pour explorer moins de régimes de sous-bandes pour les futures recherches de MZM."

Grâce aux mesures fondamentales des caractéristiques de transport, les chercheurs ont déjà découvert deux phénomènes dans leur système : un espace supraconducteur « dur » dans les mesures de spectroscopie tunnel ; et un « blocus coulombien préservant la parité » dans les dispositifs dits insulaires hybrides. Ces deux phénomènes sont des ingrédients cruciaux pour les futures recherches sur Majorana, explique Zhang.

L’équipe affirme qu’elle recherche désormais des preuves plus solides de l’existence des MZM en mesurant les propriétés de transport quantique de ses structures ultrafines de nanofils InAs-Al.

Le travail est détaillé dans Lettres de physique chinoise.

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