Les scientifiques de Groningue ont trouvé une explication à un mystère qui intrigue la communauté des physiciens depuis 1995. Dans la revue scientifique La nature le jeudi 28 août (Publication en ligne anticipée), ils expliquent pourquoi les électrons traversent de très petits fils (appelés contacts ponctuels quantiques) moins facilement que prévu. Les observations du groupe dirigé par le Pr C.H. van der Wal de l'Institut Zernike pour les matériaux avancés de l'Université de Groningue affectera l'électronique à l'échelle nanométrique :« Notre réflexion à ce sujet a été trop naïve jusqu'à présent.

Le mystère concerne les nanofils d'une centaine d'atomes de large. Dès 1988, le physicien néerlandais Bart van Wees, actuellement professeur à l'Institut Zernike, découvert un effet remarquable dans ce genre de fil. Quand il les a élargis, le débit n'a pas augmenté progressivement mais par étapes. Van der Wal :« Cela pourrait s'expliquer par les effets quantiques qui se sont produits dans les fils. Il existe une formule qui décrit précisément comment ces étapes se produisent.

Pic inattendu

Cependant, dans la première étape, avec les fils les plus fins, une petite exception dans l'augmentation graduelle a été constamment trouvée. 'Vous voyez un pic inattendu, après quoi la conduction augmente moins vite que prévu pendant un certain temps. Cela a déjà été noté dans la première publication à ce sujet par Van Wees, mais au départ, les chercheurs pensaient que l'incohérence était due à de minuscules défauts dans le matériau utilisé.' En 1995, il a été démontré que ce n'était pas le cas. 'Le pic était réel, ce qui signifiait que des processus physiques se produisaient que nous ne comprenions pas correctement. Des centaines de publications ont paru sur le phénomène, connu sous le nom d'« Anomalie de biais zéro » (ZBA), mais personne ne pouvait déterminer ce qui en était la cause.

Il y a quelques années, l'un des doctorants de Van der Wal a fabriqué un certain nombre de ce type de fil quantique. «Ils étaient destinés à un type de recherche complètement différent. Cependant, nous avons observé le pic et quelques autres tendances intéressantes. Van der Wal a décidé de mettre en place un projet de recherche distinct.

Col de montagne

Un doctorant pakistanais, Javaid Iqbal, créé un grand nombre de ce type de fil quantique. En plus des fils « ordinaires » dont la largeur est adaptable, il fabriquait aussi des fils dont la longueur pouvait être variée. Les fils, notamment, sont très différents des fils électriques classiques de notre quotidien (une âme conductrice entourée de matériau isolant), mais se composent d'un semi-conducteur sur lequel des électrodes contrôlent le bord d'un petit canal. Les électrodes créent un "potentiel de point de selle", une sorte de petit col de montagne où les électrodes de chaque côté contrôlent des parois abruptes.

Van der Wal :« Nous avons vu le pic que tout le monde trouvait. Mais quand nous avons augmenté la tension à travers le fil, soudain, il y avait un double pic. D'autres l'avaient également observé, mais ils pensaient que cela indiquait que leur fil ne fonctionnait plus correctement. En travaillant dans des conditions extrêmement contrôlées, une fraction au-dessus de la température du zéro absolu, en utilisant un matériau extrêmement pur et en testant un grand nombre de fils, Le groupe de Van der Wal a pu prouver que le phénomène est réel. « Et nous avons découvert que l'apparence du ZBA ne dépendait pas seulement de la tension, mais aussi sur la longueur du fil.

Beaucoup de physique du corps

Van der Wal a contacté des physiciens théoriciens qui travaillaient sur le ZBA depuis des années, en particulier un groupe en Israël qui avait prédit l'existence d'un double pic. « Mais ils n'avaient pas prédit que cela dépendait aussi de la longueur. Avec des collègues d'Allemagne et d'Espagne, ils ont trouvé une explication au phénomène. « Nous pensons maintenant que les électrons sont piégés au-dessus du « col de montagne » qui forme le fil quantique, " explique Van der Wal.

Les électrons qui traversent le fil se comportent comme des ondes quantiques. 'Ils frappent contre les murs, et se reflètent parfois sur les flancs du col de la montagne. Ils sentent aussi la présence de l'autre. Il en résulte une interaction complexe de divers phénomènes physiques. « Nous appelons cela « la physique à plusieurs corps ». C'est très complexe. Vous ne pouvez pas décrire comment se déroulent toutes les interactions avec un seul, formule simple.' Cependant, le résultat final est qu'un électron est piégé au sommet du col ou, selon les mots des physiciens, devient localisé. Cela influence la conductivité des fils et entraîne des pics étranges. « Et avec des fils plus longs, deux électrons ou plus peuvent se localiser, ce qui se traduit par des pics doubles voire triples.'

Plus complexe

«Ce que nous savons maintenant, c'est que le comportement des électrons dans ce type de fil quantique est beaucoup plus complexe qu'on ne le pensait. Cela a toutes sortes de conséquences. Les caractéristiques des électrons qui traversent un tel fil, par exemple leur spin (le mouvement de précession des électrons), peut changer dans le fil. « C'est quelque chose que vous devez prendre en compte. » Les fils quantiques sont souvent utilisés en recherche, par exemple lors de la création de points quantiques (utilisés comme bits lors de la construction d'un ordinateur quantique).

Ainsi que l'article de Van der Wal et de ses collègues, La nature publiera un autre article sur ZBA jeudi, avec beaucoup des mêmes conclusions. « Le mystère est donc pour ainsi dire résolu. Les derniers détails donneront lieu à des discussions intéressantes, bien que', remarque Van der Wal avec enthousiasme.