Illustrazione di nanofili serpentini abbozzati creati da alluminato di lantanio e titanato di stronzio. Il movimento da lato a lato degli elettroni mentre viaggiano conferisce loro proprietà aggiuntive che possono essere utilizzate per realizzare dispositivi quantistici. Credito:Jeremy Levy
Un gruppo di ricerca guidato da professori del Dipartimento di Fisica e Astronomia ha creato un percorso tortuoso per gli elettroni, impregnandoli di nuove proprietà che potrebbero essere utili in futuri dispositivi quantistici.
Jeremy Levi, un illustre professore di fisica della materia condensata, e Patrick Irvin, professore di ricerca, sono coautori dell'articolo "Interazioni spin-orbita ingegnerizzate in LaAlO 3 /SrTiO 3 -guide d'onda elettroniche a serpentina 1D basate su, " pubblicato in Progressi scientifici il 25 novembre.
"Sappiamo già come sparare balisticamente gli elettroni attraverso nanofili unidimensionali realizzati con questi materiali di ossido, " spiega Levy. "Ciò che è diverso qui è che abbiamo cambiato l'ambiente per gli elettroni, costringendoli a tessere a sinistra e a destra mentre viaggiano. Questo movimento cambia le proprietà degli elettroni, dando luogo a nuovi comportamenti».
Il lavoro è guidato da un recente dottorato di ricerca. destinatario, Dott.ssa Megan Briggeman, la cui tesi era dedicata allo sviluppo di una piattaforma per la "simulazione quantistica" in una dimensione. Briggeman è anche l'autore principale di un lavoro correlato pubblicato all'inizio di quest'anno in Scienza , dove è stata scoperta una nuova famiglia di fasi elettroniche in cui gli elettroni viaggiano in pacchetti da 2, 3, e più alla volta.
Gli elettroni si comportano in modo molto diverso quando sono costretti a esistere lungo una linea retta (cioè, in una dimensione). E 'noto, Per esempio, che i componenti di spin e carica degli elettroni possono separarsi e viaggiare a velocità diverse attraverso un filo 1D. Questi effetti bizzarri sono affascinanti e importanti anche per lo sviluppo di tecnologie quantistiche avanzate come i computer quantistici. Il movimento lungo una linea retta è solo una delle numerose possibilità che possono essere create utilizzando questo approccio di simulazione quantistica. Questa pubblicazione esplora le conseguenze del fatto che gli elettroni si intrecciano da un lato all'altro mentre corrono lungo un percorso altrimenti lineare.
Una recente proposta per il calcolo quantistico topologicamente protetto sfrutta i cosiddetti "fermioni di Majorana", particelle che possono esistere nei fili quantistici 1D quando sono presenti determinati ingredienti. Il LaAlO 3 /SrTiO 3 sistema, si scopre, ha la maggior parte ma non tutte le interazioni richieste. Manca una "interazione spin-orbita" sufficientemente forte da produrre le condizioni per i fermioni di Majorana. Uno dei principali risultati di questo ultimo lavoro di Levy è che le interazioni spin-orbita possono infatti essere ingegnerizzate attraverso il movimento a serpentina che gli elettroni sono costretti a intraprendere.
Oltre a identificare nuovi accoppiamenti spin-orbita ingegnerizzati, la ripetizione periodica del percorso tortuoso crea nuovi modi per gli elettroni di interagire tra loro. Il risultato sperimentale di ciò è l'esistenza di conduttanze frazionarie che si discostano da quelle previste per i singoli elettroni.
Questi percorsi di slalom sono creati utilizzando una tecnica di schizzo su nanoscala analoga a un giocattolo Etch A Sketch, ma con una dimensione in punti che è un trilione di volte più piccola nell'area. Questi percorsi possono essere tracciati e cancellati più e più volte, ogni volta creando un nuovo tipo di percorso che gli elettroni devono attraversare. Questo approccio può essere pensato come un modo per creare materiali quantistici con proprietà riprogrammabili. Gli scienziati dei materiali sintetizzano i materiali in modo simile, estrarre gli atomi dalla tavola periodica e costringerli a disporre in matrici periodiche. Qui il reticolo è artificiale:uno zig-zag del movimento avviene in dieci nanometri di spazio anziché in una distanza atomica sub-nanometrica.
prelievo, che è anche direttore del Pittsburgh Quantum Institute, ha affermato che questo lavoro contribuisce a uno degli obiettivi principali della Seconda Rivoluzione Quantistica, che è esplorare, comprendere, e sfruttare l'intera natura della materia quantistica. Una migliore comprensione, e la capacità di simulare il comportamento di un'ampia gamma di materiali quantistici, avrà conseguenze di vasta portata. "Questa ricerca rientra in uno sforzo più ampio qui a Pittsburgh per sviluppare nuove scienze e tecnologie legate alla seconda rivoluzione quantistica, " Egli ha detto.
