Structure de contact à point quantique (à gauche) dans laquelle une tension appliquée restreint le mouvement des électrons à une dimension, avec conductance (à droite) montrant l'effet du champ magnétique appliqué (rouge). Crédit :UNSW
Pourquoi l'étude des propriétés de spin des nanofils quantiques unidimensionnels est-elle importante ?
Les nanofils quantiques – qui ont une longueur mais pas de largeur ni de hauteur – fournissent un environnement unique pour la formation et la détection d'une quasiparticule connue sous le nom de mode zéro de Majorana.
Une nouvelle étude menée par UNSW surmonte la difficulté précédente à détecter le mode zéro de Majorana, et produit une amélioration significative de la reproductibilité du dispositif.
Les applications potentielles des modes zéro de Majorana incluent les ordinateurs quantiques topologiques résistants aux pannes, et la supraconductivité topologique.
Fermions de Majorana dans des fils 1-D
Un fermion de Majorana est une particule composite qui est sa propre antiparticule.
L'intérêt académique et commercial de ces particules inhabituelles vient de leur utilisation potentielle dans un ordinateur quantique topologique, prédit être immunisé contre la décohérence qui randomise la précieuse information quantique.
Les modes zéro de Majorana peuvent être créés dans des fils quantiques fabriqués à partir de matériaux spéciaux dans lesquels il existe un fort couplage entre leurs propriétés électriques et magnétiques.
En particulier, Les modes zéro de Majorana peuvent être créés dans des semi-conducteurs unidimensionnels (tels que des nanofils semi-conducteurs) lorsqu'ils sont couplés à un supraconducteur.
Dans un nanofil unidimensionnel, dont les dimensions perpendiculaires à la longueur sont suffisamment petites pour ne permettre aucun mouvement de particules subatomiques, les effets quantiques prédominent.
Explicateur d'antimatière :Chaque particule fondamentale a une particule d'antimatière correspondante, de même masse mais de charge électrique opposée. Par exemple, l'antiparticule d'un électron (charge –1) est un positon (charge +1). Crédit :UNSW
Nouvelle méthode de détection de l'écart spin-orbite nécessaire
Les systèmes semi-conducteurs unidimensionnels avec une forte interaction spin-orbite attirent beaucoup d'attention en raison d'applications potentielles en informatique quantique topologique.
Le "spin" magnétique d'un électron est comme un petit barreau magnétique, dont l'orientation peut être réglée avec un champ magnétique appliqué.
Dans les matériaux avec une « interaction spin-orbite », le spin d'un électron est déterminé par la direction du mouvement, même à champ magnétique nul. Cela permet toutes les manipulations électriques des propriétés quantiques magnétiques.
L'application d'un champ magnétique à un tel système peut ouvrir un écart énergétique tel que les électrons se déplaçant vers l'avant ont tous la même polarisation de spin, et les électrons qui se déplacent vers l'arrière ont la polarisation opposée. Ce « spin-gap » est une condition préalable à la formation des modes zéro de Majorana.
Malgré un travail expérimental intense, il s'est avéré extrêmement difficile de détecter sans ambiguïté cet écart de spin dans les nanofils semi-conducteurs, car la signature caractéristique du spin-gap (un creux dans son plateau de conductance lorsqu'un champ magnétique est appliqué) est très difficile à distinguer de l'inévitable désordre de fond dans les nanofils.
La nouvelle étude trouve un nouveau, signature sans ambiguïté de l'écart spin-orbite qui est imperméable aux effets de désordre dont souffrent les études précédentes.
"Cette signature deviendra la norme de facto pour détecter les écarts de spin à l'avenir, ", déclare l'auteur principal, la Dre Karina Hudson.
Fermions de Majorane, qui sont leur propre antiparticule, ont été théorisés depuis 1937, mais n'ont été observés expérimentalement qu'au cours de la dernière décennie. L'« immunité » du fermion de Majorana à la décohérence offre une utilisation potentielle pour l'informatique quantique tolérante aux pannes. Crédit :UNSW
Reproductibilité
L'utilisation des modes zéro de Majorana dans un ordinateur quantique évolutif est confrontée à un défi supplémentaire en raison du désordre aléatoire et des imperfections des nanofils auto-assemblés qui hébergent le MZM.
Il était auparavant presque impossible de fabriquer des dispositifs reproductibles, avec seulement environ 10% des appareils fonctionnant dans les paramètres souhaités.
Les derniers résultats UNSW montrent une amélioration significative, avec des résultats reproductibles sur six appareils basés sur trois tranches de départ différentes.
« Ce travail ouvre une nouvelle voie pour réaliser des dispositifs totalement reproductibles, " dit l'auteur correspondant, le professeur Alex Hamilton UNSW).
"New signatures of the spin gap in quantum point contacts" a été publié dans Communication Nature en janvier 2021.
