Een team van onderzoekers van het Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N, CNRS/Univ. Paris-Saclay) heeft experimenteel de coherente voortplanting van elektronen in circuits over macroscopische afstanden bereikt door middel van een nieuwe nano-engineeringstrategie.

De kwantumcoherentie van elektronische quasideeltjes ondersteunt veel van de opkomende transporteigenschappen van geleiders op kleine schaal. Nieuwe elektronische implementaties van kwantumoptica-apparaten zijn nu beschikbaar met perspectieven zoals 'vliegende' qubit-manipulaties. Echter, elektronische kwantuminterferentie in geleiders (kwantumcoherentielengte) is beperkt tot voortplantingspaden korter dan 30 m, onafhankelijk van het materiaal, geometrie en experimentele omstandigheden. Opmerkelijk vergelijkbare maximale waarden werden verkregen in ballistische halfgeleiders, diffuse metalen en 2D-materialen zoals grafeen.

Met behulp van circuit nano-engineering, onderzoekers van het team onder leiding van Frédéric Pierre (CNRS) en Anne Anthore (Université de Paris) bij C2N hebben een macroscopische waarde van de kwantumcoherentielengte - 0,25 mm bereikt, zichtbaar met het blote oog. Het vond plaats langs randkanalen die elektronen geleiden in het kwantum Hall-regime. Normaal gesproken in deze opstelling, coherentie wordt beperkt door elektronenkoppeling tussen aangrenzende kanalen. Om botsingen tussen kanalen te voorkomen, de onderzoekers fabriceerden een nanostructuur die elektronen beperkt tot kleine lussen in compartimenten langs de binnenwand van het kanaal. Deze opsluiting dwingt de innerlijke kanalen om in hun grondtoestand te blijven, waardoor inelastische botsingen tussen elektronen onmogelijk zijn. Ze vinden dat dit gecombineerd met uitstekende isolatie van andere decoherentiemechanismen, verhoogt de coherentielengte met ongeveer een orde van grootte.

Dit werk breidt de mogelijkheden uit om elektronenkwantumgedrag te exploiteren tot macroscopische lengteschalen, en opent nieuwe perspectieven in kwantumelektronische optica.