Une équipe de recherche dirigée par des professeurs du Département de physique et d'astronomie a créé un chemin en serpentin pour les électrons, les imprégnant de nouvelles propriétés qui pourraient être utiles dans les futurs dispositifs quantiques.

Jérémy Lévy, un éminent professeur de physique de la matière condensée, et Patrick Irvin, professeur-chercheur, sont co-auteurs de l'article "Engineered spin-orbit interactions in LaAlO 3 /SrTiO 3 -à base de guides d'ondes d'électrons serpentins 1D, " Publié dans Avancées scientifiques le 25 novembre.

"Nous savons déjà comment tirer des électrons de manière balistique à travers des nanofils unidimensionnels fabriqués à partir de ces matériaux d'oxyde, " explique Levy. " Ce qui est différent ici, c'est que nous avons changé l'environnement pour les électrons, les forçant à tisser à gauche et à droite pendant qu'ils voyagent. Ce mouvement modifie les propriétés des électrons, donnant lieu à de nouveaux comportements.

Le travail est dirigé par un récent doctorat. destinataire, Dr Megan Briggeman, dont la thèse a été consacrée au développement d'une plateforme de « simulation quantique » en une dimension. Briggeman est également l'auteur principal d'un ouvrage connexe publié plus tôt cette année dans Science , où une nouvelle famille de phases électroniques a été découverte dans laquelle les électrons voyagent par paquets de 2, 3, et plus à la fois.

Les électrons se comportent très différemment lorsqu'ils sont forcés d'exister le long d'une ligne droite (c'est-à-dire, en une dimension). C'est connu, par exemple, que les composants de spin et de charge des électrons peuvent se séparer et voyager à différentes vitesses à travers un fil 1D. Ces effets bizarres sont fascinants et également importants pour le développement de technologies quantiques avancées telles que les ordinateurs quantiques. Le mouvement le long d'une ligne droite n'est qu'une des nombreuses possibilités qui peuvent être créées à l'aide de cette approche de simulation quantique. Cette publication explore les conséquences du fait que les électrons se tissent côte à côte pendant leur course descendante et autrement linéaire.

Une proposition récente de calcul quantique topologiquement protégé tire parti des "fermions Majorana", particules qui peuvent exister dans les fils quantiques 1D lorsque certains ingrédients sont présents. Le LaAlO 3 /SrTiO 3 système, il s'avère, a la plupart mais pas toutes les interactions requises. Il manque une "interaction spin-orbite" suffisamment forte qui peut produire les conditions pour les fermions de Majorana. L'une des principales découvertes de ces derniers travaux de Levy est que les interactions spin-orbite peuvent en fait être conçues par le mouvement serpentin que les électrons sont obligés d'entreprendre.

En plus d'identifier de nouveaux couplages spin-orbite, la répétition périodique du chemin sinueux crée de nouvelles façons pour les électrons d'interagir les uns avec les autres. Le résultat expérimental de ceci est l'existence de conductances fractionnaires qui s'écartent de celles attendues pour les électrons simples.

Ces chemins de slalom sont créés à l'aide d'une technique de croquis à l'échelle nanométrique analogue à un jouet Etch A Sketch, mais avec une taille de point qui est un trillion de fois plus petite en superficie. Ces chemins peuvent être dessinés et effacés encore et encore, créant à chaque fois un nouveau type de chemin pour les électrons à traverser. Cette approche peut être considérée comme un moyen de créer des matériaux quantiques avec des propriétés reprogrammables. Les scientifiques des matériaux synthétisent les matériaux de la même manière, en tirant des atomes du tableau périodique et en les forçant à s'organiser en tableaux périodiques. Ici, le réseau est artificiel :un zigzag du mouvement se déroule dans un espace de dix nanomètres plutôt qu'à une distance atomique inférieure au nanomètre.

Prélèvement, qui est également directeur du Pittsburgh Quantum Institute, a déclaré que ce travail contribue à l'un des principaux objectifs de la deuxième révolution quantique, qui est à explorer, comprendre, et exploiter la pleine nature de la matière quantique. Une meilleure compréhension, et la capacité de simuler le comportement d'une large gamme de matériaux quantiques, aura des conséquences de grande envergure. "Cette recherche s'inscrit dans un effort plus vaste ici à Pittsburgh pour développer de nouvelles sciences et technologies liées à la deuxième révolution quantique, " il a dit.