Rendus tridimensionnels de trajectoires électroniques dans des résonateurs circulaires en graphène, et leurs projections sur le plan horizontal. Un champ magnétique faible déforme le type classique d'orbite atomique (à gauche) dans le type à saut avec boucles externes (à droite). En raison de la phase topologique de Berry inhérente aux fonctions d'onde des électrons dans le graphène, la transition entre eux implique un saut soudain dans le niveau d'énergie de la mécanique quantique. Crédit :Christophe Gutiérrez, Jon Wyrick, CNST/NIST
Quand une ballerine pirouette, virevolter une pleine révolution, elle ressemble à ce qu'elle était quand elle a commencé. Mais pour les électrons et autres particules subatomiques, qui suivent les règles de la théorie quantique, ce n'est pas nécessairement le cas. Lorsqu'un électron se déplace sur un chemin fermé, finir là où il a commencé, son état physique peut être ou non le même que lorsqu'il est parti.
Maintenant, il y a un moyen de contrôler le résultat, grâce à un groupe de recherche international dirigé par des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST). L'équipe a développé le premier interrupteur qui active et désactive ce mystérieux comportement quantique. La découverte promet de fournir un nouvel aperçu des principes fondamentaux de la théorie quantique et pourrait conduire à de nouveaux dispositifs électroniques quantiques.
Pour étudier cette propriété quantique, Le physicien et collègue du NIST Joseph A. Stroscio et ses collègues ont étudié des électrons encerclés dans des orbites spéciales dans une région de graphène de la taille d'un nanomètre - un ultrafort, couche unique d'atomes de carbone étroitement entassés. Les électrons encerclés orbitent autour du centre de l'échantillon de graphène tout comme les électrons gravitent autour du centre d'un atome. Les électrons en orbite conservent généralement les mêmes propriétés physiques exactes après avoir parcouru un circuit complet dans le graphène. Mais lorsqu'un champ magnétique appliqué atteint une valeur critique, il agit comme un interrupteur, modifier la forme des orbites et amener les électrons à posséder des propriétés physiques différentes après avoir terminé un circuit complet.
Les chercheurs rapportent leurs découvertes dans le 26 mai, 2017, problème de Science .
Le commutateur quantique nouvellement développé repose sur une propriété géométrique appelée phase Berry, du nom du physicien anglais Sir Michael Berry qui a développé la théorie de ce phénomène quantique en 1983. La phase Berry est associée à la fonction d'onde d'une particule, qui, dans la théorie quantique, décrit l'état physique d'une particule. La fonction d'onde—pensez à une vague océanique—a à la fois une amplitude (la hauteur de la vague) et une phase—l'emplacement d'un pic ou d'un creux par rapport au début du cycle des vagues.
Ces images montrent les trajectoires orbitales des électrons piégés dans une région circulaire du graphène. Dans l'orbite classique (image du haut), un électron qui voyage dans un circuit complet a le même état physique que lorsqu'il a commencé sur le chemin. Cependant, lorsqu'un champ magnétique appliqué atteint une valeur critique, (image du bas), un électron complétant un circuit a un état physique différent de celui d'origine. Le changement est appelé phase Berry et le champ magnétique agit comme un interrupteur pour activer la phase Berry. Le résultat est que l'électron est élevé à un niveau d'énergie plus élevé. Crédit :Christophe Gutiérrez, Daniel Walkup/NIST
Lorsqu'un électron fait un circuit complet autour d'une boucle fermée pour qu'il retourne à son emplacement initial, la phase de sa fonction d'onde peut changer au lieu de revenir à sa valeur d'origine. Ce déphasage, la phase Berry, est une sorte de mémoire du voyage d'un système quantique et ne dépend pas du temps, uniquement sur la géométrie du système, la forme du chemin. De plus, le changement a des conséquences observables dans un large éventail de systèmes quantiques.
Bien que la phase de Berry soit un phénomène purement quantique, il a un analogue dans les systèmes non quantiques. Considérons le mouvement d'un pendule de Foucault, qui a été utilisé pour démontrer la rotation de la Terre au 19ème siècle. Le pendule suspendu oscille simplement d'avant en arrière dans le même plan vertical, mais semble tourner lentement au cours de chaque oscillation - une sorte de déphasage - en raison de la rotation de la Terre en dessous.
Depuis le milieu des années 80, des expériences ont montré que plusieurs types de systèmes quantiques sont associés à une phase de Berry. Mais jusqu'à la présente étude, personne n'avait construit un interrupteur qui pourrait activer et désactiver la phase Berry à volonté. L'interrupteur développé par l'équipe, contrôlé par un petit changement dans un champ magnétique appliqué, donne aux électrons une augmentation soudaine et importante de l'énergie.
Plusieurs membres de l'équipe de recherche actuelle, basée au Massachusetts Institute of Technology et à l'Université Harvard, ont développé la théorie du commutateur de phase de Berry.
Pour étudier la phase Berry et créer le switch, Fereshte Ghahari, membre de l'équipe du NIST, a construit un dispositif au graphène de haute qualité pour étudier les niveaux d'énergie et la phase Berry des électrons enfermés dans le graphène.
Rendus tridimensionnels de trajectoires électroniques dans des résonateurs circulaires en graphène, et leurs projections sur le réseau en nid d'abeille (ombres). Un champ magnétique faible déforme le type classique d'orbite atomique (à gauche) dans le type à saut avec boucles externes (à droite). En raison de la phase topologique de Berry inhérente aux fonctions d'onde des électrons dans le graphène, la transition entre eux implique un saut soudain dans le niveau d'énergie de la mécanique quantique. Crédit :Christophe Gutiérrez, Jon Wyrick, CNST/NIST
D'abord, l'équipe a confiné les électrons pour occuper certaines orbites et niveaux d'énergie. Pour garder les électrons parqués, Le membre de l'équipe Daniel Walkup a créé une version quantique d'une clôture électrique en utilisant des impuretés ionisées dans la couche isolante sous le graphène. Cela a permis à un microscope à effet tunnel dans l'installation d'utilisateurs de nanotechnologie du NIST, le Centre pour la science et la technologie à l'échelle nanométrique, pour sonder les niveaux d'énergie quantique et la phase de Berry des électrons confinés.
L'équipe a ensuite appliqué un champ magnétique faible dirigé dans la feuille de graphène. Pour les électrons se déplaçant dans le sens des aiguilles d'une montre, le champ magnétique créé plus serré, orbites plus compactes. Mais pour les électrons se déplaçant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, le champ magnétique a eu l'effet inverse, tirant les électrons sur des orbites plus larges. À une intensité de champ magnétique critique, le champ agissait comme un interrupteur de phase Berry. Il a tordu les orbites des électrons dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, amenant les particules chargées à exécuter des pirouettes dans le sens des aiguilles d'une montre près de la limite de la clôture électrique.
Ordinairement, ces pirouettes auraient peu de conséquence. Cependant, dit Christopher Gutiérrez, membre de l'équipe, "les électrons du graphène possèdent une phase Berry spéciale, qui s'allume lorsque ces pirouettes magnétiques sont déclenchées."
Lorsque la phase Berry est activée, les électrons en orbite sautent brusquement à un niveau d'énergie plus élevé. Le commutateur quantique fournit une riche boîte à outils scientifique qui aidera les scientifiques à exploiter des idées pour de nouveaux dispositifs quantiques, qui n'ont pas d'analogue dans les systèmes à semi-conducteurs conventionnels, dit Stroscio.
