La mise à niveau de la source de lumière avancée américaine améliorera les capacités de recherche sur les matériaux quantiques à l'échelle nanométrique

La source de lumière avancée (ALS), située au Laboratoire national Lawrence Berkeley aux États-Unis, améliore ses capacités de recherche sur les matériaux quantiques grâce à un projet de mise à niveau. En tant qu'installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis, l'ALS soutient depuis plus de 30 ans les chercheurs du monde entier dans l'étude des matériaux quantiques tels que les supraconducteurs, les isolants topologiques et les matériaux à électrons corrélés, grâce à ses capacités expérimentales en rayons X mous synchrotron, lumière ultraviolette et rayons X à spectre complet.

Les doctorants de l'Université de Californie à San Diego, Wei « Francis » He (premier à gauche), Kate Matthews (deuxième à droite) et Robin Glavke (premier à droite), issus du groupe de recherche d'Alex Frañó de la ligne de lumière COSMIC (7.0.1) de l'ALS, collaborent avec les scientifiques de l'ALS Sujoy Roy (au centre) et Sophie Morley (deuxième à gauche) pour étudier les propriétés d'un matériau quantique important pour les systèmes neuromorphiques. (Source photo : Robinson Kuntz/Laboratoire de Berkeley)

Les matériaux quantiques, caractérisés par de fortes interactions électroniques, peuvent présenter des comportements collectifs tels que la supraconductivité et le magnétisme spécial, difficiles à expliquer par les théories traditionnelles, et sont considérés comme étroitement liés au développement des dispositifs électroniques de prochaine génération, des technologies de l'information et du calcul quantique. Les instruments existants de l'ALS, tels que la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), ont déjà été utilisés pour analyser les informations sur l'énergie, la quantité de mouvement et le spin des électrons dans les matériaux, aidant ainsi les chercheurs à étudier les mécanismes de formation des supraconducteurs à haute température, des isolants topologiques supraconducteurs et des nouveaux matériaux quantiques.

Dans le cadre de recherches connexes, l'équipe du MIT a utilisé l'instrument MAESTRO ARPES de l'ALS pour mesurer la vitesse des électrons liée à la supraconductivité dans les métaux de kagomé. Les chercheurs de l'Université Rice ont également utilisé la technique ARPES à résolution de spin de l'ALS pour étudier les caractéristiques d'énergie, de quantité de mouvement et de spin des électrons dans des composés cristallins d'indium, de tantale et de soufre, explorant leurs applications potentielles dans la spintronique et les matériaux pour le calcul quantique.

Selon le plan de mise à niveau, ALS-U générera des faisceaux de rayons X plus brillants et plus cohérents, permettant aux chercheurs d'observer les défauts et les comportements de phase électronique dans les matériaux quantiques à plus petite échelle. Après la mise à niveau, les faisceaux de rayons X devraient pouvoir être focalisés à une échelle inférieure à 25 nanomètres ; une technologie supplémentaire envisagée, la « spectroscopie de photoémission résolue en angle à l'échelle nanométrique ultime », permettrait de pousser les objectifs de recherche jusqu'au niveau des défauts individuels, pour analyser les microstructures critiques dans des matériaux tels que les qubits supraconducteurs et les métaux étranges.

Outre l'ARPES, l'ALS joue également un rôle dans la recherche sur la diffusion cohérente des rayons X mous. L'instrument COSMIC actuellement utilisé sera remplacé à l'avenir par le nouvel instrument prévu, FLEXON, qui assumera les fonctions correspondantes. FLEXON comprendra des capacités telles que la spectroscopie de corrélation de photons X (XPCS) et la microscopie à réflexion cohérente des rayons X, permettant d'étudier les fluctuations et la distribution des charges et des spins dans les matériaux quantiques à l'échelle nanométrique et sur des échelles de temps nanosecondes.

Les chercheurs concernés indiquent que des faisceaux plus brillants et plus cohérents permettront d'observer comment les défauts des qubits affectent la cohérence, et favoriseront également la recherche sur les matériaux pour le calcul neuromorphique. Le calcul neuromorphique tente de s'inspirer du mode de traitement de l'information des réseaux neuronaux du cerveau, en utilisant les propriétés électroniques des matériaux pour réaliser un calcul plus efficace et à plus faible consommation d'énergie. Après la mise à niveau de l'ALS, les chercheurs pourront suivre les processus d'interaction des électrons corrélés à l'échelle nanométrique, fournissant ainsi un support expérimental plus précis pour la recherche sur le calcul quantique, l'électronique de prochaine génération et le matériel lié à l'intelligence artificielle.