Refroidissement rapide pour le développement de la nanotechnologie quantique

Le refroidissement rapide des particules de magnons s'avère être une méthode étonnamment efficace pour générer un état quantique de la matière, un soi-disant condensat de Bose-Einstein. Cette découverte peut contribuer à faire progresser la recherche en physique quantique et constitue également une étape vers l'objectif à long terme de l'informatique quantique à température ambiante.

Une équipe internationale de scientifiques a trouvé une approche simple pour déclencher un état exceptionnel de la matière, un soi-disant condensat de Bose-Einstein. La nouvelle méthode, décrite récemment dans la revue Nature Nanotechnology, vise à faire avancer la recherche et le développement de l'informatique quantique à température ambiante.

L'équipe, dirigée par des physiciens de l'Université Technique de Kaiserslautern (TUK) en Allemagne et de l'Université de Vienne en Autriche, a créé le condensat de Bose-Einstein (BEC) par un changement de température soudain. Les quasi-particules sont d'abord lentement chauffées, puis rapidement refroidies à nouveau à la température ambiante. Ils ont présenté la méthode à l'aide de quasi-particules appelées magnons, qui représentent des excitations magnétiques d'un solide.

« De nombreux chercheurs étudient différentes sortes de condensats de Bose-Einstein », explique le professeur Burkard Hillebrands de la TUK, l'un des principaux chercheurs dans le domaine du BEC. « La nouvelle approche que nous avons développée devrait fonctionner pour de nombreux systèmes. »

mystérieux et spontané

Les condensats de Bose-Einstein, nommés d'après Albert Einstein et Satyendra Nath Bose, qui ont d'abord supposé leur existence, sont une forme mystérieuse de matière. Il s'agit de particules qui, à l'échelle quantique, se comportent spontanément toutes de la même manière et deviennent essentiellement une seule entité. Initialement utilisés pour décrire des particules de gaz idéales, les condensats de Bose-Einstein ont été formés à la fois avec des atomes et avec des quasi-particules comme les bosons, phonons et magnons.

La création de condensats de Bose-Einstein est une tâche délicate, car ils doivent apparaître spontanément par définition. Les conditions nécessaires à leur formation consistent à ne pas induire d'ordre ou de cohérence qui inciterait les particules à se comporter de manière identique ; les particules doivent le faire de manière autonome.

Actuellement, les condensats de Bose-Einstein sont produits en abaissant la température jusqu'à proche du zéro absolu ou en injectant un grand nombre de particules à température ambiante dans un petit volume. La méthode à température ambiante, dont Hillebrands et ses collaborateurs ont rendu compte pour la première fois en 2005, est cependant techniquement complexe, et seules quelques équipes de recherche dans le monde disposent de l'équipement et du savoir-faire nécessaires.

La nouvelle méthode, en revanche, est beaucoup plus simple. Il suffit d'une source de chaleur et d'une nanostructure magnétique minuscule, cent fois plus petite que l'épaisseur d'un cheveu humain.

« Nos progrès récents dans la miniaturisation des structures magnétiques à l'échelle nanoscopique nous ont permis d'envisager le BEC sous un tout autre angle », explique le professeur Andrii Chumak de l'Université de Vienne.

La nanostructure est lentement chauffée à 200°C pour générer des phonons, qui à leur tour produisent des magnons à la même température. La source de chaleur est ensuite coupée, et la nanostructure se refroidit rapidement à la température ambiante en environ une nanoseconde. Au cours de ce processus, les phonons s'échappent vers le substrat, mais les magnons, étant plus lents, ne réagissent pas et restent à l'intérieur de la nanostructure magnétique.

Michael Schneider, auteur principal et doctorant dans le groupe de recherche sur le magnétisme de la TUK, explique pourquoi : « Lorsque les phonons s'échappent, les magnons veulent réduire leur énergie pour rester en équilibre. Comme ils ne peuvent pas diminuer leur nombre de particules, ils doivent réduire leur énergie d'une autre manière. Ils tombent donc tous au même niveau d'énergie bas. »

En adoptant spontanément tous le même niveau d'énergie, les magnons forment un condensat de Bose-Einstein.

« Nous n'avons jamais forcé la cohérence dans le système », explique Andrii Chumak, « c'est donc une voie très pure et claire pour produire des condensats de Bose-Einstein. »

Résultats inattendus

Comme c'est souvent le cas en science, l'équipe a fait cette observation tout à fait par hasard. Ils voulaient d'abord étudier un autre aspect des nanocircuits, lorsque des choses étranges se sont produites.

« Au début, nous pensions que quelque chose n'allait vraiment pas avec notre expérience ou l'analyse des données », raconte Michael Schneider.

Après une réunion avec des partenaires à la TUK et aux États-Unis, certains paramètres expérimentaux ont été optimisés pour vérifier si le phénomène étrange était réellement un condensat de Bose-Einstein. Cette vérification a été effectuée à l'aide de techniques de spectroscopie.

Le résultat intéressera principalement d'autres physiciens qui étudient cet état de la matière. « Cependant, la publication d'informations sur les magnons et leur comportement dans un état quantique macroscopique à température ambiante pourrait influencer le développement d'ordinateurs utilisant des magnons comme support de données », indique Burkard Hillebrands.

Andrii Chumak a souligné l'importance de la collaboration au sein de l'initiative nationale de recherche OPTIMAS de la TUK et du programme de recherche spéciale « Spin+X » en collaboration avec l'Université de Mayence pour résoudre cette énigme. La synergie entre l'expertise de son équipe sur les nanostructures magnétiques et celle de Hillebrands sur les condensats de Bose-Einstein de magnons a été essentielle. Leur recherche a été largement financée par deux bourses du Conseil européen de la recherche (ERC).

Publication originale :

M. Schneider, et al., Bose-Einstein Condensation of Quasi-Particles by Rapid Cooling, Nature Nanotechnology, DOI : 10.1038/s41565-020-0671-z, (2020).

Contact scientifique :

Prof. Dr. Andrii Chumak
Nanomagnétisme et Magnonics, Faculté de Physique, Université de Vienne
Boltzmanngasse 5, 1090 Vienne
E-mail : andrii.chumak@univie.ac.at
Tél. : +43-1-4277-73910
Mobile : +43-664-60277-73910
Site internet : https://nanomag.univie.ac.at/

Prof. Dr. Burkard Hillebrands
Groupe de Magnétisme, Département de Physique, Université Technique de Kaiserslautern
Erwin-Schrödinger 56, 67663 Kaiserslautern
E-mail : hilleb@physik.uni-kl.de
Tél. : +49 631 205-4228
Site internet : https://www.physik.uni-kl.de/hillebrands/home/