Une illustration schématique d'un circuit à l'échelle nanométrique. Une boîte quantique (la partie jaune) est connectée à deux électrodes de plomb (les parties bleues). Les électrons entrant dans la boîte quantique à partir des électrodes interagissent les uns avec les autres pour former un état quantique hautement corrélé, appelé « liquide de Fermi ». Le courant électrique non linéaire traversant la boîte quantique et ses fluctuations qui apparaissent comme un bruit transportent des signaux importants, qui peut dévoiler la physique sous-jacente du liquide quantique. Il est précisé que les corrélations à trois corps des électrons évoluent de manière significative et jouent des rôles essentiels dans l'état quantique sous les champs externes qui brisent la symétrie particule-trou ou renversement du temps. Crédit :Rui Sakano
Les scientifiques de l'université d'Osaka ont développé des formules mathématiques pour décrire le courant et les fluctuations d'électrons fortement corrélés dans les points quantiques. Leurs prédictions théoriques pourraient bientôt être testées expérimentalement.
Les physiciens théoriques Yoshimichi Teratani et Akira Oguri de l'Université d'Osaka, et Rui Sakano de l'Université de Tokyo ont développé des formules mathématiques qui décrivent un phénomène physique se produisant dans les points quantiques et autres matériaux nanométriques. Les formules, publié dans la revue Lettres d'examen physique , pourrait être appliqué à d'autres recherches théoriques sur la physique des points quantiques, gaz atomiques ultra-froids, et les quarks.
L'effet Kondo est en cause. Cet effet a été décrit pour la première fois en 1964 par le physicien théoricien japonais Jun Kondo dans certains matériaux magnétiques, mais semble maintenant se produire dans de nombreux autres systèmes, y compris les points quantiques et d'autres matériaux à l'échelle nanométrique.
Normalement, la résistance électrique chute dans les métaux lorsque la température baisse. Mais dans les métaux contenant des impuretés magnétiques, cela n'arrive que jusqu'à une température critique, au-delà de laquelle la résistance augmente avec la baisse des températures.
Les scientifiques ont finalement pu montrer que, à des températures très basses proches du zéro absolu, les spins des électrons s'entremêlent avec les impuretés magnétiques, formant un nuage qui masque leur magnétisme. La forme du nuage change avec de nouvelles baisses de température, entraînant une montée de la résistance. Ce même effet se produit lorsque d'autres "perturbations externes, " comme une tension ou un champ magnétique, sont appliqués sur le métal.
Teratani, Sakano et Oguri ont voulu développer des formules mathématiques pour décrire l'évolution de ce nuage en points quantiques et autres matériaux nanométriques, ce qui n'est pas une tâche facile.
Pour décrire un système quantique aussi complexe, ils sont partis d'un système au zéro absolu où un modèle théorique bien établi, à savoir la théorie des liquides de Fermi, pour les électrons en interaction est applicable. Ils ont ensuite ajouté une « correction » qui décrit un autre aspect du système contre les perturbations externes. En utilisant cette technique, ils ont écrit des formules décrivant le courant électrique et sa fluctuation à travers les points quantiques.
Leurs formules indiquent que les électrons interagissent au sein de ces systèmes de deux manières différentes qui contribuent à l'effet Kondo. D'abord, deux électrons entrent en collision,
formant des quasiparticules bien définies qui se propagent dans le nuage de Kondo. Plus significativement, une interaction appelée contribution à trois corps se produit. C'est lorsque deux électrons se combinent en présence d'un troisième électron, provoquant un déplacement d'énergie des quasi-particules.
"Les prédictions des formules pourraient bientôt être étudiées expérimentalement, " dit Oguri. " Des études dans le sens de cette recherche ne font que commencer, " il ajoute.
Les formules pourraient également être étendues pour comprendre d'autres phénomènes quantiques, tels que le mouvement des particules quantiques à travers des points quantiques connectés à des supraconducteurs. Les points quantiques pourraient être une clé pour réaliser les technologies de l'information quantique, comme les ordinateurs quantiques et la communication quantique.
