Коли електрон занурився у море фермі, спливає
Ці результати з’ясують, наскільки ці електрони можуть бути використані для реалізації електронних аналогів квантових інформаційних експериментів, проведених з фотонами.
Дослідники SPEC у співпраці з командами з C2N та Університету Генуї спостерігали розчинення та часткову повторну появу електрона, введеного з кінцевою енергією в одновимірні хіральні електронні канали, створені шляхом застосування інтенсивного магнітного поля по краях двовимірна електронна система (в режимі квантового ефекту Холла).
Квантовий ефект Холла - це особливий стан конденсованої речовини, що виникає при низькій температурі: коли інтенсивне магнітне поле прикладене перпендикулярно площині, що містить електронний газ, обмежений двовимірністю, всі електрони приймають кругову траєкторію. Без поширення електронів на великі відстані більша частина електронного газу потім стає ізолюючою. На краю зразка відкривається ціла кількість одновимірних крайових каналів, і, отже, електричний струм транспортується лише вздовж цих каналів (див. Рисунок).
Таким чином, ці крайові канали утворюють ідеальні та незалежні квантові дроти без дисипації та хіральності, оскільки напрямок поширення електронів фіксується орієнтацією магнітного поля. Ці ідеальні характеристики спонукали протягом останніх десятиліть продовжувати дослідження електронної квантової оптики з метою використання цих крайових каналів як "оптичних волокон" для електронів. Тоді можна кількісно когерентно маніпулювати одиничними зарядами, що поширюються в цих крайових станах.
Недавні експерименти показують, що крайові канали не є повністю незалежними, але насправді пов'язані електростатичними взаємодіями: заряди, які рухаються в крайовому каналі, чутливі до присутності зарядів у сусідньому каналі. Отже, елементарні стани, що природно описують систему, не відповідають одиничному заряду, що поширюється уздовж крайового каналу, а скоріше когерентній суперпозиції станів, що відображає поширення колективних збуджень, розподілених між крайовими каналами. В експериментах з електронною квантовою оптикою ці взаємодії проявляються декогерентністю (втратою квантової фази) та енергетичною релаксацією:
Таким чином, електрон, випромінюваний у крайовий канал у чітко визначеному квантовому стані, повинен зазнати втрати квантової когерентності, коли він перерозподіляється на колективні збудження, спільні з іншими каналами. Подібним чином його початкова енергія, добре визначена над енергією Фермі (усі електронні рівні нижнього енергетичного крайового каналу, що зайняті), буде поступово зменшуватися в міру поширення цього електрона, і що нейтральний заряд і низькоенергетичні збудження створюються на всіх крайових каналах.
Дивно, але хоча в кількох недавніх експериментах використовується інжекція одиничних зарядів, що випромінюються з чітко визначеною енергією, це розслаблення ніколи не було продемонстровано безпосередньо, а зображення вище ніколи не підтверджено.
Дослідники з групи наноелектроніки SPEC у співпраці з C2N (Palaiseau) та Університетом Генуї нещодавно провели серію експериментів, які дозволяють проводити цю спектроскопію за допомогою квантових точок (областей, де електрони сильно обмежені у всіх напрямках набір електростатичних воріт) як електронні енергетичні фільтри - див. малюнок нижче.
Окремі заряди випромінюються в квантовій точці з чітко визначеною енергією в одному з крайових каналів. Після розповсюдження протягом декількох сотень нанометрів (від 480 нм до 3,4 мкм), енергетичний аналіз електронів на рівні другої квантової точки дозволяє побачити, чи впорскувані заряди зберегли свою початкову енергію, чи вони є ' розсіюється в наборі низькоенергетичних збуджень.
Результати експерименту проілюстровані на фіг.2. Це перше експериментальне спостереження частки зарядів, що залишаються при своїй початковій енергії після поширення в крайовому каналі. Вони виглядають як чіткий пік у виміряній функції розподілу енергії, як показано на малюнку 2а. Пік різко зменшується зі збільшенням енергії нагнітання та довжини поширення (480 або 750 нм), що свідчить про сильний релаксаційний ефект. Що дивно і несподівано, в якийсь момент пік знову з'являється (див. Вставку на малюнку 2b), що вказує на те, що колективні збудження, спільні між прикордонними каналами, конструктивно заважають частково відновити початкове збудження.
Порівнюючи ці експериментальні дані з теоретичною моделлю, розробленою в Університеті Генуї, було виділено додаткові втрати енергії. На додаток до енергетичної релаксації, спричиненої наявністю безлічі крайових каналів, заряди також піддаються сильному розсіюванню енергії до зовнішніх ступенів свободи, детальні механізми яких ще слід вивчити.
Ці результати показують, що для впровадження, використовуючи ці методи, майбутніх застосувань електронної квантової оптики для квантової обробки інформації, необхідно освоїти різні виявлені джерела енергії розсіювання. Представлені тут результати вже дають змогу підтвердити концептуальну базу, в якій були запропоновані ці експерименти, а також чітко визначити їх наступну велику проблему.
Довідково:
Розслаблення та пожвавлення квазічастинок, що вводяться у взаємодіючу квантову рідину Холла,
Р. Х. Родрігес, Ф. Д. Парментьє, Д. Ферраро, П. Рулло, У. Генсер, А. Каванна, М. Сассетті, Ф. Портьє, Д. Мейлі, П. Рош, Природні комунікації 11, 2426 (2020)
Співпраця:
- Департамент фізики конденсованого стану (SPEC), UMR 3680 CEA-CNRS
- Центр нанонаук і нанотехнологій (C2N), CNRS, Університет Париж-Сакла
- Діпартименто ді Фізіка, Університет Генуї
- Інститут надпровідних та інших інноваційних матеріалів та приладів (SPIN-CNR), Генуя.