Micrographie au microscope électronique à balayage d'un nanofil semi-conducteur, fabriqué à partir d'arséniure d'indium, connecté électriquement à un supraconducteur et à un métal normal. L'emplacement sur le nanofil des deux spins - les aimants microscopiques - est illustré par les flèches. Dans ce cas, les aimants microscopiques sont créés par des spins électroniques. Crédit :Institut Niels Bohr
Des scientifiques de l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague ont, pour la première fois, réussi à produire, contrôler et comprendre des états quantiques complexes basés sur deux spins électroniques connectés à un supraconducteur. Le résultat a été publié dans Communication Nature , et est née d'une collaboration entre les scientifiques de l'Institut Niels Bohr, un scientifique de l'étranger et dernier, mais pas des moindres, un étudiant en thèse de maîtrise.
La technologie quantique est basée sur la compréhension et le contrôle des états quantiques, par ex. dispositifs nanoélectroniques avec des composants à l'échelle nanométrique. Le contrôle peut se faire via des signaux électriques, comme dans les composants d'un ordinateur. Les appareils sont juste nettement plus complexes, lorsqu'il s'agit de composants quantiques à l'échelle nanométrique, et les scientifiques examinent et tentent toujours de comprendre les phénomènes qui surviennent à cette échelle minuscule. Dans ce cas, il s'agit des états quantiques dans les dispositifs nanoélectroniques fabriqués à partir de nanofils semi-conducteurs et de matériau supraconducteur. Cela nécessite de comprendre deux phénomènes fondamentaux de la physique moderne, magnétisme et supraconductivité.
Accumuler de nouvelles connaissances, c'est comme jouer avec des blocs de construction
Les scientifiques ont défini des aimants microscopiques électriquement le long d'un nanofil semi-conducteur. Cela se fait en plaçant un spin électronique à proximité d'un supraconducteur, puis en observant comment il modifie les états quantiques. En plaçant deux aimants microscopiques plutôt qu'un, comme cela a été fait auparavant, les possibilités d'observer de nouveaux états quantiques se présentent. De cette façon, les scientifiques accumulent des connaissances en ajoutant de plus en plus de complexité aux systèmes. "C'est un peu comme jouer avec des blocs de construction. Au départ, nous contrôlons un seul spin d'électron, puis on passe à deux, on peut modifier le couplage entre eux, régler les propriétés magnétiques, etc. Un peu comme construire une maison avec chaque brique supplémentaire augmentant notre connaissance de ces états quantiques. ", dit Kasper Grove-Rasmussen, qui a été en charge de la partie expérimentale du travail.
Modèle 3D du dispositif Yu-Shiba-Rusinov. Deux spins électroniques sont définis le long du nanofil, en plaçant des tensions appropriées sur les minuscules électrodes sous le nanofil. En couplant les spins au supraconducteur, les états Yu-Shiba-Rusinov peuvent être réalisés. L'observation de ces états est réalisée en analysant le courant à travers le dispositif du métal normal au supraconducteur. Crédit :Institut Niels Bohr
La théorie quantique de 1960 revitalisée dans les nano-dispositifs
Il s'agit de catégoriser les différents états quantiques et leurs relations entre eux, afin d'obtenir une vue d'ensemble de la façon dont les différentes parties interagissent. Au cours des années 1960, le fondement théorique de ce travail a été fait, comme trois physiciens, L. Yu, H. Shiba et A.I. Rusinov a publié trois travaux théoriques indépendants sur la façon dont les impuretés magnétiques à la surface du supraconducteur peuvent provoquer de nouveaux types d'états quantiques. Les États, maintenant réalisé expérimentalement par les scientifiques de l'Institut Niels Bohr, sont nommés d'après les physiciens :États Yu-Shiba-Rusinov. Mais ils sont nettement plus complexes que les états Yu-Shiba-Rusinov avec un seul spin précédemment réalisé. Cela pourrait être une étape sur la voie de structures plus complexes qui amélioreraient notre compréhension des composants informatiques quantiques potentiels, à base de matériaux semi-conducteurs-supraconducteurs. Kasper Grove-Rasmussen souligne que ce qu'ils font maintenant, c'est de la recherche fondamentale.
Gorm Steffensen, maintenant un doctorat. étudiant à l'Institut Niels Bohr, rédigeait son mémoire de maîtrise au moment de l'article, et a joué un rôle important dans le résultat. Il étudiait la physique théorique et a collaboré avec son superviseur, Jens Paaske, sur la description théorique des phénomènes quantiques. L'article démontre donc aussi qu'une collaboration sur un résultat scientifique à l'Institut Niels Bohr peut inclure les étudiants. La tâche de Gorm Steffensen était de développer un modèle théorique qui englobait tous les phénomènes des expériences en collaboration avec son superviseur et le scientifique slovène, Rok Sitko, au. Les nanofils de l'expérience ont été développés par Ph.D. étudiants du groupe de recherche du professeur Jesper Nygaard. C'est un modus operandi commun pour les scientifiques de l'Institut Niels Bohr de travailler ensemble, appliquer de nombreuses compétences différentes à tous les niveaux scientifiques, d'étudiant à professeur.
