Micrographie électronique à balayage en couleur de l'échantillon :interféromètre de Mach Zehnder et stratégie de confinement utilisée pour obtenir et démontrer une longueur de cohérence électronique record de 0,25 mm. Crédit :© C2N
Une équipe de chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N, CNRS/Univ. Paris-Saclay) a réalisé expérimentalement la propagation cohérente d'électrons dans des circuits sur des distances macroscopiques grâce à une nouvelle stratégie de nano-ingénierie.
La cohérence quantique des quasiparticules électroniques sous-tend bon nombre des propriétés de transport émergentes des conducteurs à petite échelle. De nouvelles implémentations électroniques de dispositifs d'optique quantique sont désormais disponibles avec des perspectives telles que les manipulations de qubits « volants ». Cependant, l'interférence quantique électronique dans les conducteurs (longueur de cohérence quantique) a été limitée à des chemins de propagation inférieurs à 30 m, indépendamment du matériau, géométrie et conditions expérimentales. Des valeurs maximales remarquablement similaires ont été obtenues dans les semi-conducteurs balistiques, métaux diffusifs et matériaux 2D comme le graphène.
En utilisant la nano-ingénierie des circuits, des chercheurs de l'équipe dirigée par Frédéric Pierre (CNRS) et Anne Anthore (Université de Paris) au C2N ont obtenu une valeur macroscopique de la longueur de cohérence quantique :0,25 mm, visible à l'œil nu. Il s'est produit le long des canaux périphériques qui guident les électrons dans le régime Hall quantique. Normalement dans cette configuration, la cohérence est limitée par le couplage électronique entre canaux adjacents. Pour éviter les collisions entre canaux, les chercheurs ont fabriqué une nanostructure qui confine les électrons dans de petites boucles à l'intérieur de compartiments tapissant la paroi interne du canal. Ce confinement oblige les canaux internes à rester dans leur état fondamental, ce qui rend impossible les collisions inélastiques entre les électrons. Ils trouvent que ceci, combiné à une isolation exceptionnelle par rapport aux autres mécanismes de décohérence, augmente la longueur de cohérence d'environ un ordre de grandeur.
Ce travail étend les possibilités d'exploitation des comportements quantiques des électrons jusqu'à des échelles de longueur macroscopique, et ouvre de nouvelles perspectives en optique électronique quantique.
