Ilustración de nanocables serpentinos esbozados creados a partir de aluminato de lantano y titanato de estroncio. El movimiento de lado a lado de los electrones a medida que viajan les da propiedades adicionales que pueden usarse para fabricar dispositivos cuánticos. Crédito:Jeremy Levy
Un equipo de investigación dirigido por profesores del Departamento de Física y Astronomía ha creado un camino serpenteante para los electrones, dotándolos de nuevas propiedades que podrían ser útiles en futuros dispositivos cuánticos.
Jeremy Levy, un distinguido profesor de física de la materia condensada, y Patrick Irvin, profesor de investigación, son coautores del artículo "Interacciones de espín-órbita diseñadas en LaAlO 3 / SrTiO 3 -guías de onda de electrones serpentinos 1D, " publicado en Avances de la ciencia el 25 de noviembre.
"Ya sabemos cómo disparar electrones balísticamente a través de nanocables unidimensionales hechos de estos materiales de óxido, "explica Levy." Lo que es diferente aquí es que hemos cambiado el entorno para los electrones, obligándolos a tejer de izquierda a derecha mientras viajan. Este movimiento cambia las propiedades de los electrones, dando lugar a nuevos comportamientos ".
El trabajo está dirigido por un Ph.D. recipiente, Dra. Megan Briggeman, cuya tesis se dedicó al desarrollo de una plataforma para la "simulación cuántica" en una dimensión. Briggeman también es el autor principal de un trabajo relacionado publicado a principios de este año en Ciencias , donde se descubrió una nueva familia de fases electrónicas en las que los electrones viajan en paquetes de 2, 3, y más a la vez.
Los electrones se comportan de manera muy diferente cuando se les fuerza a existir a lo largo de una línea recta (es decir, en una dimensión). Es sabido, por ejemplo, que los componentes de espín y carga de los electrones pueden dividirse y viajar a diferentes velocidades a través de un cable 1D. Estos extraños efectos son fascinantes y también importantes para el desarrollo de tecnologías cuánticas avanzadas como las computadoras cuánticas. El movimiento a lo largo de una línea recta es solo una de las múltiples posibilidades que se pueden crear utilizando este enfoque de simulación cuántica. Esta publicación explora las consecuencias de hacer que los electrones se entrelacen de lado a lado mientras corren hacia abajo y en una trayectoria lineal.
Una propuesta reciente para la computación cuántica protegida topológicamente se aprovecha de los llamados "fermiones de Majorana", partículas que pueden existir en cables cuánticos 1D cuando ciertos ingredientes están presentes. El LaAlO 3 / SrTiO 3 sistema, resulta, tiene la mayoría de las interacciones necesarias, pero no todas. Falta una "interacción espín-órbita" suficientemente fuerte que puede producir las condiciones para los fermiones de Majorana. Uno de los principales hallazgos de este último trabajo de Levy es que las interacciones espín-órbita pueden, de hecho, diseñarse mediante el movimiento serpentino que los electrones se ven obligados a realizar.
Además de identificar nuevos acoplamientos de órbita giratoria diseñados, la repetición periódica del camino serpenteante crea nuevas formas para que los electrones interactúen entre sí. El resultado experimental de esto es la existencia de conductancias fraccionarias que se desvían de las esperadas para electrones individuales.
Estos caminos de slalom se crean utilizando una técnica de dibujo a nanoescala análoga a un juguete Etch A Sketch, pero con un tamaño en puntos que es un billón de veces menor en área. Estos caminos se pueden dibujar y borrar una y otra vez, cada vez creando un nuevo tipo de camino para que los electrones atraviesen. Este enfoque puede pensarse como una forma de crear materiales cuánticos con propiedades reprogramables. Los científicos de materiales sintetizan materiales de manera similar, extraer átomos de la tabla periódica y obligarlos a organizarse en matrices periódicas. Aquí el enrejado es artificial:un zig-zag del movimiento tiene lugar en un espacio de diez nanómetros en lugar de una distancia atómica subnanométrica.
Exacción, quien también es director del Pittsburgh Quantum Institute, afirmó que este trabajo contribuye a uno de los principales objetivos de la Segunda Revolución Cuántica, que es explorar, comprender, y explotar toda la naturaleza de la materia cuántica. Una mejor comprensión, y la capacidad de simular el comportamiento de una amplia gama de materiales cuánticos, tendrá consecuencias de gran alcance. "Esta investigación se enmarca en un esfuerzo mayor aquí en Pittsburgh para desarrollar nuevas ciencias y tecnologías relacionadas con la segunda revolución cuántica, " él dijo.
