Un résonateur pour les électrons

Le naturaliste grec Archimède avait déjà eu l'idée, il y a plus de deux mille ans, de réfléchir la lumière à l'aide d'un miroir incurvé de manière à ce qu'elle soit concentrée en un point - selon la légende, il aurait ainsi mis le feu à des bateaux romains ennemis. De nos jours, ces miroirs creux ou paraboliques jouent un r?le dans de nombreuses applications techniques, de l'antenne parabolique aux résonateurs laser dans lesquels les ondes lumineuses sont amplifiées entre deux miroirs. Les résonateurs à miroir concave sont également utilisés dans la physique quantique moderne. Pour étudier des atomes individuels, par exemple, les chercheurs profitent de la concentration de la lumière à travers les miroirs pour renforcer l'interaction entre les ondes lumineuses et les atomes. Une équipe de physiciens de l'ETH Zurich au sein du P?le de recherche national Sciences et technologies quantiques (PRN QSIT), on a réussi à construire un résonateur dans lequel les électrons sont concentrés et non les ondes lumineuses. A l'avenir, de tels résonateurs pourraient être utilisés dans la construction d'ordinateurs quantiques et dans la recherche sur les effets de particules multiples dans les corps solides.

Pour leurs expériences, les post-doctorants Clemens R?ssler et Oded Zilberberg ont utilisé des structures semi-conductrices dans lesquelles les électrons ne peuvent se déplacer que dans un seul plan. ? l'une des extrémités de ce plan se trouve ce que l'on appelle un point quantique - un piège de seulement 100 nanomètres pour les électrons qui, en raison de la mécanique quantique, présentent des états énergétiques définis avec précision, similaires à ceux d'un atome. C'est pourquoi on appelle ces points quantiques des "atomes artificiels". De l'autre c?té, à quelques micromètres de là, une électrode incurvée forme un miroir concave sur lequel les électrons se réfléchissent lorsqu'il est mis sous tension.

De meilleurs matériaux

La possibilité de concentrer les électrons de cette manière a déjà été étudiée en 1997 à l'Université de Harvard. Toutefois, les chercheurs de l'ETH ont désormais pu travailler avec des matériaux bien meilleurs, fabriqués directement dans le laboratoire de Werner Wegscheider, professeur de physique des solides. "Ceux-ci sont cent fois plus purs que ceux utilisés à l'époque", explique R?ssler, "et les électrons peuvent ainsi se déplacer cent fois plus longtemps sans être perturbés". Cela a pour conséquence que, contrairement aux travaux antérieurs, la nature ondulatoire de la mécanique quantique des électrons se fait désormais très clairement sentir.

Dans leur expérience, les physiciens le constatent au fait que le courant qui circule du point quantique au miroir concave varie de manière caractéristique avec la tension appliquée. "Nos résultats montrent que les électrons ne se contentent pas de voler dans tous les sens dans le résonateur, mais qu'ils forment une onde stationnaire et se couplent ainsi de manière cohérente au point quantique", souligne R?ssler, qui a développé l'expérience dans le groupe de travail du professeur de l'ETH Klaus Ensslin. Contrairement aux ondes lumineuses, le spin des électrons fait en outre en sorte que ceux-ci se comportent comme de minuscules aimants. En effet, les chercheurs ont pu démontrer que l'interaction entre les électrons du point quantique et l'onde électronique se fait par le biais du spin. "Ce couplage spin-cohérence pourrait permettre à l'avenir de relier des points quantiques sur de grandes distances", explique Zilberberg, qui a développé un modèle théorique pour l'expérience de R?ssler au sein du groupe du professeur ETH Gianni Blatter.

Adapté aux ordinateurs quantiques

Depuis un certain temps déjà, les points quantiques sont considérés comme des candidats potentiels pour ce que l'on appelle les bits quantiques ou "qubits", avec lesquels les ordinateurs quantiques calculent. Jusqu'à présent, les points quantiques d'un tel ordinateur devaient être très proches les uns des autres afin d'obtenir le couplage nécessaire pour les processus de calcul. Cela rendait difficile le contr?le et la lecture des qubits individuels. Un couplage à grande échelle via un résonateur con?u en conséquence pourrait résoudre ce problème de manière élégante.

Les résonateurs électroniques des chercheurs de l'ETH pourraient également être utiles dans la recherche fondamentale, par exemple pour étudier l'effet Kondo. Celui-ci se produit lorsque de nombreux électrons interagissent avec le moment magnétique d'une impureté dans le matériau. A l'aide d'un point quantique simulant une telle impureté et d'un résonateur, les physiciens espèrent pouvoir étudier l'effet Kondo de manière très précise.

Il n'a fallu qu'un peu plus d'un an aux jeunes chercheurs pour passer de l'idée de leur recherche - née de discussions lors d'une expérience précédente - à la publication qui para?t aujourd'hui. Zilberberg a une explication simple à cette rapidité : "Au sein du réseau QSIT, il est facile de collaborer spontanément au-delà des groupes, car on est très proche géographiquement et thématiquement et on est de toute fa?on impliqué dans des projets communs. Et si l'on a besoin de l'avis d'un expert sur quelque chose, celui-ci n'est généralement qu'à quelques bureaux de là".