Les physiciens confirment l’état quantique prédit il y a plus de 50 ans

Découvrez le couplage des électrons dans les atomes artificiels

Des chercheurs du département de physique de l’Université de Hambourg ont observé un état quantique théoriquement prédit par des théoriciens japonais il y a plus de 50 ans, mais qui a jusqu’à présent échappé à la découverte. par suture synthétique atome A la surface d’un supraconducteur, les chercheurs ont réussi à appairer les électrons d’une boîte dite quantique, créant ainsi la plus petite version possible du supraconducteur. L’œuvre apparaît dans le dernier numéro du magazine nature.

Comportement électronique et supraconductivité

Les électrons se repoussent généralement à cause de leur charge négative. Ce phénomène de répulsion joue un rôle important en influençant de nombreuses propriétés des matériaux, parmi lesquelles la résistance électrique. Cependant, la situation change radicalement si les électrons sont « collés » deux à deux et deviennent ainsi des bosons. Contrairement aux électrons isolés, qui se repoussent, les paires de bosons peuvent coexister dans le même espace et effectuer des mouvements identiques.

Rendu 3D de certaines des structures construites atome par atome en argent (petites collines). Une cage à lettres rectangulaire et circulaire est affichée dans le quadrant supérieur gauche de l’image. Crédit : Lucas Schneider

La supraconductivité est l’une des propriétés les plus intéressantes des matériaux contenant ces paires d’électrons – la capacité de laisser passer le courant électrique sans aucune résistance. La supraconductivité a été exploitée pour de nombreuses applications technologiques au fil des ans, telles que l’imagerie par résonance magnétique et les détecteurs de champ magnétique très sensibles. Avec la miniaturisation continue des appareils électroniques, il y a un intérêt croissant pour comprendre comment atteindre la supraconductivité dans des à l’échelle nanométrique structures.

Couplage électronique dans les atomes artificiels

Des chercheurs du département de physique et du groupe d’excellence « CUI : Advanced Imaging of Matter » de l’Université de Hambourg ont réalisé le couplage d’électrons dans un atome artificiel appelé boîte quantique, le plus petit élément constitutif des dispositifs électroniques nanostructurés. À cette fin, les expérimentateurs, dirigés par le professeur PD Jens Wiebe de l’Institut de nanostructure et de physique du solide, ont piégé des électrons dans de minuscules cages en argent qu’ils ont construites, atome par atome.

En couplant les électrons verrouillés à un supraconducteur élémentaire, les électrons ont hérité de la tendance à l’appariement du supraconducteur. Avec une équipe de physiciens de masse théoriques, dirigée par le Dr Thor Boesky, les chercheurs ont corrélé la signature expérimentale, un pic spectral à très basse énergie, avec l’état quantique prédit par Kazushige Machida au début des années 1970 par Fumiaki Shibata.

Alors que l’État n’a jusqu’à présent récupéré que la détection directe par des méthodes expérimentales, des recherches récentes menées par deux équipes des Pays-Bas et du Danemark montrent qu’elle est utile pour supprimer les bruits indésirables dans les transmissions qubit, un élément constitutif des ordinateurs quantiques modernes.

Dans un e-mail privé, Kazushige Machida a écrit au premier auteur de la publication, le Dr Lucas Schneider : « Merci d’avoir « découvert » mon ancien article il y a un demi-siècle. J’ai longtemps pensé que les impuretés de métaux de transition non magnétiques produisaient l’écart. supraconducteur, et donc impossible de prouver son existence. Mais par votre méthode ingénieuse, j’ai enfin vérifié qu’il est expérimentalement correct.

Référence : « Approximated Superconductivity in Quantum Dots Made Atom-by-Atom » de Lukas Schneider, Khai That Ton, Eunice Ionides, Janice Neuhaus Steinmetz, Thor Boesky, Roland Weisendinger et Jens Wiebe, 16 août 2023, disponible ici. nature.
DOI : 10.1038/s41586-023-06312-0