Een onderzoeksteam onder leiding van professoren van het departement Natuur- en Sterrenkunde heeft een kronkelig pad voor elektronen gecreëerd, ze doordrenken met nieuwe eigenschappen die nuttig kunnen zijn in toekomstige kwantumapparaten.

Jeremy Levy, een vooraanstaand professor in de fysica van de gecondenseerde materie, en Patrick Irvin, onderzoeksprofessor, zijn co-auteurs van het artikel "Engineered spin-orbit interactions in LaAlO ₃ /SrTiO ₃ -gebaseerde 1D serpentine elektronengolfgeleiders, " gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang op 25 november.

"We weten al hoe we elektronen ballistisch kunnen afschieten door eendimensionale nanodraden gemaakt van deze oxidematerialen, " legt Levy uit. "Wat hier anders is, is dat we de omgeving voor de elektronen hebben veranderd, hen dwingen om links en rechts te weven terwijl ze reizen. Deze beweging verandert de eigenschappen van de elektronen, aanleiding geven tot nieuw gedrag."

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 is gepubliceerd in Wetenschap , waar een nieuwe familie van elektronische fasen werd ontdekt waarin elektronen in pakketten van 2 reizen, 3, en meer tegelijk.

Elektronen gedragen zich heel anders wanneer ze gedwongen worden langs een rechte lijn te bestaan ​​(d.w.z. in één dimensie). Het is bekend, bijvoorbeeld, dat de spin- en ladingscomponenten van elektronen uit elkaar kunnen splijten 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 rennen en anderszins lineair zijn.

Een recent voorstel voor topologisch beschermde kwantumberekening maakt gebruik van zogenaamde "Majorana-fermionen", deeltjes die in 1D-kwantumdraden kunnen voorkomen als bepaalde ingrediënten aanwezig zijn. De LaAlO ₃ /SrTiO ₃ systeem, het blijkt, heeft de meeste maar niet alle vereiste interacties. Ontbrekend is een voldoende sterke "spin-orbit-interactie" die de voorwaarden voor Majorana-fermionen kan produceren. Een van de belangrijkste bevindingen van dit laatste werk van Levy is dat spin-baaninteracties in feite kunnen worden ontwikkeld door de kronkelige beweging die elektronen moeten ondergaan.

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

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

Heffing, die tevens directeur is van het Pittsburgh Quantum Institute, verklaarde dat dit werk bijdraagt ​​aan een van de hoofddoelen van de Tweede Quantum Revolutie, dat is om te verkennen, begrijpen, en gebruik maken van de volledige aard van kwantummaterie. Een beter begrip, en het vermogen om het gedrag van een breed scala aan kwantummaterialen te simuleren, verstrekkende gevolgen zal 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, " hij zei.