Des chercheurs de l'Université du Maryland ont capturé la preuve la plus directe à ce jour d'une bizarrerie quantique qui permet aux particules de traverser une barrière comme si elle n'était même pas là. Le résultat, en couverture du 20 juin Numéro 2019 de la revue La nature , peut permettre aux ingénieurs de concevoir des composants plus uniformes pour les futurs ordinateurs quantiques, capteurs quantiques et autres dispositifs.

La nouvelle expérience est une observation du tunnel de Klein, un cas particulier d'un phénomène quantique plus ordinaire. Dans le monde quantique, l'effet tunnel permet aux particules comme les électrons de traverser une barrière même si elles n'ont pas assez d'énergie pour la franchir. Une barrière plus haute rend généralement cela plus difficile et laisse passer moins de particules.

Le tunnel de Klein se produit lorsque la barrière devient complètement transparente, ouvrant un portail que les particules peuvent traverser quelle que soit la hauteur de la barrière. Des scientifiques et ingénieurs du Centre de nanophysique et des matériaux avancés (CNAM) de l'UMD, le Joint Quantum Institute (JQI) et le Condensed Matter Theory Center (CMTC), avec des postes au Département de science et génie des matériaux et au Département de physique de l'UMD, ont fait les mesures les plus convaincantes à ce jour de l'effet.

"Le tunnel de Klein était à l'origine un effet relativiste, prédit il y a presque cent ans, " dit Ichiro Takeuchi, professeur de science et d'ingénierie des matériaux (MSE) à l'UMD et auteur principal de la nouvelle étude. "Jusque récemment, bien que, vous ne pouviez pas l'observer."

Il était presque impossible de recueillir des preuves de l'effet tunnel de Klein là où il avait été prédit pour la première fois – le monde des particules quantiques de haute énergie se déplaçant près de la vitesse de la lumière. Mais au cours des dernières décennies, les scientifiques ont découvert que certaines des règles régissant les particules quantiques en mouvement rapide s'appliquent également aux particules relativement lentes se déplaçant près de la surface de certains matériaux inhabituels.

L'un de ces matériaux, que les chercheurs ont utilisé dans la nouvelle étude, est l'hexaborure de samarium (SmB6), une substance qui devient un isolant topologique à basse température. Dans un isolant normal comme le bois, caoutchouc ou air, les électrons sont piégés, incapable de bouger même lorsque la tension est appliquée. Ainsi, contrairement à leurs camarades errants dans un fil métallique, les électrons dans un isolant ne peuvent pas conduire un courant.

Les isolants topologiques tels que le SmB6 se comportent comme des matériaux hybrides. A des températures suffisamment basses, l'intérieur du SmB6 est un isolant, mais la surface est métallique et laisse aux électrons une certaine liberté de se déplacer. En outre, la direction dans laquelle les électrons se déplacent est verrouillée sur une propriété quantique intrinsèque appelée spin qui peut être orientée vers le haut ou vers le bas. Les électrons se déplaçant vers la droite auront toujours leur rotation vers le haut, par exemple, et les électrons se déplaçant vers la gauche auront leur spin pointant vers le bas.

La surface métallique du SmB6 n'aurait pas suffi à repérer le tunnel de Klein, bien que. Il s'est avéré que Takeuchi et ses collègues devaient transformer la surface du SmB6 en un supraconducteur, un matériau capable de conduire le courant électrique sans aucune résistance.

Pour transformer SmB6 en supraconducteur, ils en ont mis une fine pellicule sur une couche d'hexaborure d'yttrium (YB6). Lorsque l'ensemble a été refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, le YB6 est devenu un supraconducteur et, en raison de sa proximité, la surface métallique du SmB6 est devenue un supraconducteur, trop.

C'était un "morceau de sérendipité" que SmB6 et son parent échangé à l'yttrium partageaient la même structure cristalline, dit Johnpierre Paglione, professeur de physique à l'UMD, le directeur du CNAM et co-auteur du mémoire de recherche. "Toutefois, l'équipe multidisciplinaire dont nous disposons a été l'une des clés de ce succès. Disposer d'experts en physique topologique, synthèse de couches minces, la spectroscopie et la compréhension théorique nous ont vraiment amenés à ce point, " ajoute Paglione.

La combinaison s'est avérée la bonne combinaison pour observer le tunnel de Klein. En amenant une petite pointe métallique en contact avec le dessus du SmB6, l'équipe a mesuré le transport des électrons de la pointe vers le supraconducteur. Ils ont observé une conductance parfaitement doublée, une mesure de la façon dont le courant à travers un matériau change à mesure que la tension à ses bornes varie.

"Quand nous avons observé pour la première fois le doublement, je n'y croyais pas, " dit Takeuchi. " Après tout, c'est une observation inhabituelle, J'ai donc demandé à mon postdoctorant Seunghun Lee et au chercheur Xiaohang Zhang de revenir en arrière et de refaire l'expérience."

Lorsque Takeuchi et ses collègues expérimentateurs se sont convaincus que les mesures étaient exactes, ils ne comprenaient pas initialement la source de la conductance doublée. Alors ils ont commencé à chercher une explication. Victor Galitski de l'UMD, un Fellow JQI, professeur de physique et membre du CMTC, a suggéré que le tunnel de Klein pourrait être impliqué.

"En premier, c'était juste une intuition, " dit Galitski. " Mais au fil du temps, nous sommes devenus plus convaincus que le scénario Klein peut en fait être la cause sous-jacente des observations. "

Valentin Stanev, chercheur associé au MSE et chercheur au JQI, a pris l'intuition de Galitski et a élaboré une théorie minutieuse sur la façon dont le tunnel de Klein pourrait émerger dans le système SmB6, faisant finalement des prédictions qui correspondaient bien aux données expérimentales.

La théorie a suggéré que le tunnel de Klein se manifeste dans ce système comme une forme parfaite de réflexion d'Andreev, un effet présent à chaque frontière entre un métal et un supraconducteur. La réflexion d'Andreev peut se produire chaque fois qu'un électron du métal saute sur un supraconducteur. A l'intérieur du supraconducteur, les électrons sont obligés de vivre par paires, donc quand un électron saute dessus, il prend un copain.

Afin d'équilibrer la charge électrique avant et après le saut, une particule avec la charge opposée - que les scientifiques appellent un trou - doit se refléter dans le métal. C'est la caractéristique de la réflexion d'Andreev :un électron entre, un trou ressort. Et comme un trou se déplaçant dans une direction transporte le même courant qu'un électron se déplaçant dans la direction opposée, tout ce processus double la conductance globale - la signature de l'effet tunnel de Klein à travers une jonction d'un métal et d'un supraconducteur topologique.

Dans les jonctions conventionnelles entre un métal et un supraconducteur, il y a toujours des électrons qui ne font pas le saut. Ils se dispersent hors de la frontière, réduisant la quantité de réflexion Andreev et empêchant un doublement exact de la conductance.

Mais parce que les électrons à la surface de SmB6 ont leur direction de mouvement liée à leur spin, les électrons proches de la frontière ne peuvent pas rebondir, ce qui signifie qu'ils transiteront toujours directement dans le supraconducteur.

"Un tunnel de Klein avait également été observé dans le graphène, " dit Takeuchi. " Mais ici, parce que c'est un supraconducteur, Je dirais que l'effet est plus spectaculaire. Vous obtenez ce doublement exact et une annulation complète de la diffusion, et il n'y a pas d'analogue de cela dans l'expérience du graphène."

Les jonctions entre les supraconducteurs et d'autres matériaux sont des ingrédients dans certaines architectures informatiques quantiques proposées, ainsi que dans les dispositifs de détection de précision. Le fléau de ces composants a toujours été que chaque jonction est légèrement différente, Takeuchi dit, nécessitant un réglage et un étalonnage sans fin pour atteindre les meilleures performances. Mais avec Klein tunneling dans SmB6, les chercheurs pourraient enfin avoir un antidote à cette irrégularité.

« En électronique, la propagation d'un appareil à l'autre est l'ennemi numéro un, ", dit Takeuchi. "Voici un phénomène qui se débarrasse de la variabilité."

Le document de recherche, "Réflexion parfaite d'Andreev due au paradoxe de Klein dans un état supraconducteur topologique, " Seunghun Lee, Valentin Stanev, Xiaohang Zhang, Drew Stasak, Jack Fleurs, Joshua S. Higgins, Sheng Dai, Thomas Blum, Xiaoqing Pan, Victor M. Yakovenko, Johnpierre Paglione, Richard L. Greene, Victor Galitski, et Ichiro Takeuchi, a été publié dans la revue La nature le 20 juin, 2019.