Onderzoekers creëren een slalombaan op nanoschaal voor elektronen

Een onderzoeksteam onder leiding van professoren van de afdeling Fysica en Astronomie heeft een kronkelend pad voor elektronen gecreëerd, waardoor ze nieuwe eigenschappen krijgen die nuttig kunnen zijn in toekomstige kwantumapparaten.

Jeremy Levy, een vooraanstaand professor in de fysica van de gecondenseerde materie, en Patrick Irvin, onderzoeksprofessor, zijn coauteurs van het artikel “Engineered spin-orbit interactions in LaAlO₃/ SrTiO₃-gebaseerde 1D kronkelige elektronengolfgeleiders, “gepubliceerd in Science Advances op 25 november.

“We weten al hoe we elektronen ballistisch moeten schieten door eendimensionale nanodraden gemaakt van deze oxidematerialen”, legt Levy uit. “Wat hier anders is, is dat we de omgeving voor de elektronen hebben veranderd, waardoor ze tijdens hun verplaatsing naar links en rechts moeten weven. Deze beweging verandert de eigenschappen van de elektronen, waardoor nieuw gedrag ontstaat.”

Het werk wordt geleid door een recente Ph.D. ontvanger, Dr. Megan Briggeman, wiens proefschrift was gewijd aan de ontwikkeling van een platform voor “kwantumsimulatie” in één dimensie. Briggeman is ook de hoofdauteur van een gerelateerd werk dat eerder dit jaar in Wetenschap, waar een nieuwe familie van elektronische fasen werd ontdekt waarin elektronen reizen in pakketten van 2, 3 en meer tegelijk.

Elektronen gedragen zich heel anders wanneer ze gedwongen worden om langs een rechte lijn te bestaan ​​(dwz in één dimensie). Het is bijvoorbeeld bekend dat de spin- en ladingscomponenten van elektronen uit elkaar kunnen splitsen en met verschillende snelheden door een 1D-draad kunnen reizen. Deze bizarre effecten zijn fascinerend en ook belangrijk voor de ontwikkeling van geavanceerde kwantumtechnologieën zoals kwantumcomputers. Beweging langs een rechte lijn is slechts een van de vele mogelijkheden die kunnen worden gecreëerd met behulp van deze kwantumsimulatiebenadering. Deze publicatie onderzoekt de gevolgen van het heen en weer weven van elektronen terwijl ze naar beneden racen en anders een lineair pad.

Een recent voorstel voor topologisch beschermde kwantumberekeningen maakt gebruik van zogenaamde “Majorana-fermionen”, deeltjes die kunnen voorkomen in 1D-kwantumdraden wanneer bepaalde ingrediënten aanwezig zijn. De LaAlO₃/ SrTiO₃ Het systeem blijkt de meeste maar niet alle vereiste interacties te hebben. Ontbrekende is een voldoende sterke “spin-baan interactie” die de voorwaarden voor Majorana-fermionen kan produceren. Een van de belangrijkste bevindingen van dit nieuwste werk van Levy is dat spin-baaninteracties in feite kunnen worden gemanipuleerd door de kronkelige beweging die elektronen moeten uitvoeren.

Naast het identificeren van nieuw ontworpen spin-orbit-koppelingen, creëert de periodieke herhaling van het kronkelige pad nieuwe manieren waarop elektronen met elkaar kunnen communiceren. Het experimentele resultaat hiervan is het bestaan ​​van fractionele geleidingen die afwijken van die verwacht voor enkele elektronen.

Deze slalompaden worden gemaakt met behulp van een schetstechniek op nanoschaal die analoog is aan een Etch A Sketch-speelgoed, maar met een puntgrootte die een biljoen keer kleiner is. Deze paden kunnen steeds opnieuw worden geschetst en gewist, waarbij elke keer een nieuw type pad wordt gecreëerd dat elektronen kunnen doorkruisen. Deze benadering kan worden gezien als een manier om kwantummaterialen te creëren met herprogrammeerbare eigenschappen. Materiaalwetenschappers synthetiseren materialen op een vergelijkbare manier, door atomen uit het periodiek systeem te halen en ze te dwingen in periodieke arrays te rangschikken. Hier is het rooster kunstmatig: een zigzag van de beweging vindt plaats in een ruimte van tien nanometer in plaats van een atomaire afstand van minder dan een nanometer.

Levy, die ook directeur is van het Pittsburgh Quantum Institute, verklaarde dat dit werk bijdraagt ​​aan een van de belangrijkste doelen van de tweede kwantumrevolutie, namelijk het onderzoeken, begrijpen en exploiteren van de volledige aard van kwantummaterie. Een beter begrip en de mogelijkheid om het gedrag van een breed scala aan kwantummaterialen te simuleren, zal verstrekkende gevolgen hebben. “Dit onderzoek valt binnen een grotere inspanning hier in Pittsburgh om nieuwe wetenschap en technologieën te ontwikkelen die verband houden met de tweede kwantumrevolutie”, zei hij.