Forskere laver slalomkurser i nanoskala for elektroner

Et forskerhold ledet af professorer fra Institut for Fysik og Astronomi har skabt en slangebane for elektroner, tilføre dem nye egenskaber, der kan være nyttige i fremtidige kvanteenheder.

Jeremy Levy, en fremtrædende professor i kondenseret stoffysik, og Patrick Irvin, forskningsprofessor, er medforfattere til papiret "Engineered spin-orbit interactions in LaAlO ₃ /SrTiO ₃ -baserede 1D serpentine elektronbølgeledere, " offentliggjort i Videnskabens fremskridt den 25. november.

"Vi ved allerede, hvordan man skyder elektroner ballistisk gennem endimensionelle nanotråde lavet af disse oxidmaterialer, " forklarer Levy. "Det, der er anderledes her, er, at vi har ændret miljøet for elektronerne, tvinger dem til at væve til venstre og højre, mens de rejser. Denne bevægelse ændrer elektronernes egenskaber, giver anledning til ny adfærd."

Arbejdet ledes af en nyligt ph.d. modtager, Dr. Megan Briggeman, hvis afhandling var helliget udviklingen af ​​en platform til "kvantesimulering" i én dimension. Briggeman er også hovedforfatter på et relateret værk udgivet tidligere i år i Videnskab , hvor en ny familie af elektroniske faser blev opdaget, hvor elektroner rejser i pakker af 2, 3, og mere ad gangen.

Elektroner opfører sig meget anderledes, når de tvinges til at eksistere langs en lige linje (dvs. i én dimension). Det er kendt, for eksempel, at elektronernes spin- og ladekomponenter kan splitte fra hinanden og bevæge sig med forskellige hastigheder gennem en 1D-ledning. Disse bizarre effekter er fascinerende og også vigtige for udviklingen af ​​avancerede kvanteteknologier såsom kvantecomputere. Bevægelse langs en lige linje er blot en af ​​de mange muligheder, der kan skabes ved hjælp af denne kvantesimuleringstilgang. Denne publikation udforsker konsekvenserne af at få elektroner til at væve side til side, mens de kører nedad og ellers lineær vej.

Et nyligt forslag til topologisk beskyttet kvanteberegning udnytter såkaldte "Majorana-fermioner", partikler, som kan eksistere i 1D kvantetråde, når visse ingredienser er til stede. LaAlO ₃ /SrTiO ₃ system, det viser sig, har de fleste, men ikke alle, de nødvendige interaktioner. Mangler er en tilstrækkelig stærk "spin-orbit interaktion", der kan skabe betingelserne for Majorana fermioner. Et af hovedresultaterne af dette seneste arbejde fra Levy er, at spin-kredsløbsinteraktioner faktisk kan konstrueres gennem den slangebevægelse, som elektroner er tvunget til at foretage.

Ud over at identificere nye konstruerede spin-kredsløbskoblinger, den periodiske gentagelse af serpentinbanen skaber nye måder for elektroner at interagere med hinanden. Det eksperimentelle resultat af dette er eksistensen af ​​fraktioneret konduktanser, der afviger fra dem, der forventes for enkelte elektroner.

Disse slalomstier er skabt ved hjælp af en nanoskala skitseteknik analog med et Etch A Sketch legetøj, men med en punktstørrelse, der er en billion gange mindre i areal. Disse stier kan skitseres og slettes igen og igen, hver gang skabe en ny type vej for elektroner at krydse. Denne tilgang kan opfattes som en måde at skabe kvantematerialer med omprogrammerbare egenskaber. Materialeforskere syntetiserer materialer på en lignende måde, trække atomer fra det periodiske system og tvinge dem til at arrangere i periodiske arrays. Her er gitteret kunstigt - en zig-zag af bevægelsen finder sted i en ti nanometer af rummet snarere end en sub-nanometer atomafstand.

afgift, som også er direktør for Pittsburgh Quantum Institute, udtalte, at dette arbejde bidrager til et af hovedmålene for den anden kvanterevolution, som er at udforske, forstå, og udnytte kvantestoffets fulde natur. En forbedret forståelse, og evnen til at simulere adfærden af ​​en bred vifte af kvantematerialer, vil få vidtrækkende konsekvenser. "Denne forskning falder inden for en større indsats her i Pittsburgh for at udvikle ny videnskab og teknologier relateret til den anden kvanterevolution, " han sagde.