PerleDeDiamant

PerleDeDiamant

Des nanostructures hybrides pour l'ordinateur quantique ?

Des nanostructures hybrides pour l'ordinateur quantique ?

Des structures hybrides de métal et de semi-conducteur pourraient servir à manipuler des états quantiques dans les futurs ordinateurs quantiques.

Christophe Roussel

Les ordinateurs quantiques, où les lois de la physique quantique seraient directement exploitées, devraient surpasser les ordinateurs classiques. Cependant, si les principes de fonctionnement d'une telle machine sont déjà posés, leur mise en œuvre demeure difficile. L'information n'y serait plus codée par des bits (0 ou 1), mais par des bits quantiques, ou qubits, où les états 0 et 1 sont « superposés », ce qui autorise un traitement parallèle de l'information. Un électron peut être le support d'un qubit grâce à son moment magnétique intrinsèque, le spin. Un spin orienté vers le haut peut représenter un 1 et un spin orienté vers le bas un 0 ; mais le spin peut aussi être dans une superposition quantique de l'état 0 et de l'état 1.

Comment manipuler les spins pour transporter une information de façon fiable ? Min Ouyang et ses collègues, à l'Université du Maryland, ont proposé une solution. Ils ont élaboré des nanostructures constituées de métal et de semi-conducteur, dans lesquelles on peut, via une interaction entre lumière et matière nommée effet Stark optique, manipuler le spin des électrons de la couche semi-conductrice.

Ces structures sont des nanobilles de métal recouvertes d'une coquille de matériau semi-conducteur. Des paires électron-trou, nommées excitons, peuvent se former dans le semi-conducteur, par exemple quand un électron absorbe un photon d'un rayonnement incident ; leur énergie correspond à la hauteur de la « bande d'énergie interdite » du semi-conducteur. Des oscillations de charge apparaissent à l'interface avec le noyau métallique : ce sont les plasmons de surface, des ondes de densité d'électrons auxquelles sont soumis les électrons libres à l'interface du semi-conducteur et du métal.

Grâce à ce système, l'équipe du Maryland a étudié l'effet Stark optique, qui se produit lorsque le champ électrique de l'onde lumineuse incidente est comparable aux champs électriques qui lient les électrons aux noyaux atomiques, et ce qui peut alors modifier les états quantiques de ces électrons (dont leur spin).

Quel est le lien entre le système plasmon/exciton et l'effet Stark optique ? Lorsqu'un plasmon a la même énergie qu'un exciton, ils y a résonance et leur interaction devient très intense, ce qui renforce l'effet Stark optique. En contrôlant la fréquence et l'intensité de la résonance, les physiciens maîtrisent l'effet Stark optique et peuvent ainsi manipuler le spin porté par les électrons de la couche semi-conductrice. Cerise sur le gâteau, la méthode utilisée pour confectionner l'interface métal/semi-conducteur monocristallin est simple à mettre en œuvre et peu coûteuse ; elle est en attente de brevet.

Ces résultats auront sans doute des applications dans le traitement quantique de l'information, mais aussi dans d'autres domaines tels que celui des cellules photovoltaïques.

Pour en savoir plus

J. Zhang et al., Tailoring light–matter–spin interactions in colloidal hetero-nanostructures, Nature, vol. 466, pp. 91–95, 2010.
Dossier Pour la Science n°68, Le monde quantique, juillet-septembre 2010.


22/08/2010

A découvrir aussi


Inscrivez-vous au blog

Soyez prévenu par email des prochaines mises à jour

Rejoignez les 3 autres membres