Symétrie particule-trou presque parfaite dans les points quantiques de graphène
"Cela va au-delà de ce qui peut être fait dans les semi-conducteurs conventionnels ou dans tout autre système électronique bidimensionnel"
Des chercheurs de l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle et du Forschungszentrum Jülich ont découvert d'importantes caractéristiques des points quantiques doubles dans le graphène bicouche, un matériau de plus en plus prometteur pour d'éventuelles applications dans les technologies quantiques. L'équipe a démontré une symétrie particule-trou presque parfaite dans les points quantiques de graphène, ce qui pourrait conduire à un traitement plus efficace de l'information quantique. L'étude a été publiée dans Nature.
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Les points quantiques doubles ont été largement étudiés dans des plates-formes semi-conductrices standard telles que l'arséniure de gallium, le silicium ou le silicium-germanium, car ils constituent une plate-forme pratique à l'état solide pour le codage d'informations quantiques. Le groupe 2D Materials and Quantum Devices de l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle vient de montrer que les points quantiques doubles dans le graphène bicouche ont plus à offrir que les autres matériaux : ils permettent de réaliser des systèmes avec une symétrie particule-trou presque parfaite, où le transport se produit par la création et l'annihilation de paires électron-trou simples avec des nombres quantiques opposés. Il en résulte de fortes règles de sélection qui peuvent être utilisées pour des schémas de lecture haute fidélité de qubits de spin et de vallée.
Antiparticules - également connues sous le nom de trous
En 1931, le physicien britannique Paul Dirac a publié un article dans lequel il prédisait l'existence d'un "antiélectron". Cette antiparticule aurait la même masse qu'un électron mais la charge et le spin opposés, et une paire particule-antiparticule s'annihilerait lors de l'interaction. L'existence de l'antiélectron - qui a finalement été nommé positron - a été prouvée expérimentalement un an plus tard. Il s'agissait de la première occurrence d'une antiparticule.
Le concept d'antiparticules joue un rôle central dans la physique de la matière condensée, où les antiparticules sont généralement appelées "trous". Par exemple, la présence (ou l'absence) de symétrie entre l'état de particule et l'état de trou est importante pour caractériser les phases topologiques dans les systèmes de matière condensée. Cependant, la symétrie particule-trou est rarement présente dans les semi-conducteurs. Une exception notable est le graphène bicouche gappé dans la limite des basses énergies.
Points quantiques pour les électrons et les trous
"Le graphène bicouche est un semi-conducteur très particulier", explique Christoph Stampfer, professeur de physique expérimentale à l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle et auteur correspondant de l'article. "Il partage plusieurs propriétés avec le graphène monocouche, telles qu'un faible couplage spin-orbite et un spectre de basse énergie parfaitement symétrique entre les électrons et les trous. Cela le rend très intéressant pour les technologies quantiques. En outre, il possède une bande interdite qui peut être réglée de zéro à environ 120 milli-électronvolts par un champ électrique externe".
La bande interdite permet de créer des points quantiques dans le graphène bicouche en utilisant des géométries de grille très similaires à celles utilisées dans le silicium. Toutefois, en raison de la petite taille de la bande interdite, ces points quantiques peuvent être ambipolaires, c'est-à-dire qu'ils peuvent piéger à la fois des électrons et des trous, en fonction de la tension appliquée sur les portes. En exploitant cette propriété et le niveau exquis de contrôle électrostatique obtenu dans leurs dispositifs bicouches en graphène, Stampfer et ses collègues ont créé des points quantiques doubles électron-trou où chacun des points héberge au maximum un électron ou un trou. Dans un tel système, le transport électrique ne peut avoir lieu que si des paires électron-trou avec des nombres quantiques opposés peuvent être continuellement créées ou annihilées.
Une symétrie presque parfaitement préservée
Ce fait a deux conséquences remarquables. Premièrement, grâce à une analyse minutieuse du courant traversant le système, les auteurs ont pu prouver expérimentalement, pour la première fois, la symétrie entre les états des électrons et des trous dans le graphène bicouche. Ils ont montré que la symétrie est presque parfaitement préservée même lorsque les électrons et les trous sont physiquement séparés en différents points quantiques. Ensuite, ils ont dévoilé que cette symétrie conduit à un mécanisme de blocage fort et robuste dans le transport à travers le système, qui peut fournir un schéma de lecture fiable pour les qubits de spin et de vallée.
"Cela va au-delà de ce qui peut être fait dans les semi-conducteurs conventionnels ou tout autre système électronique bidimensionnel", déclare le professeur Fabian Hassler de l'Institut JARA pour l'information quantique à l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle, et co-auteur de l'article. "La symétrie presque parfaite que nous observons dans notre travail et les fortes règles de sélection qui en découlent sont très intéressantes non seulement pour le fonctionnement des qubits, mais aussi pour la mise en œuvre de détecteurs tera-Hertz à particule unique. En outre, il sera intéressant de coupler les points quantiques de graphène bicouche avec des supraconducteurs - deux systèmes où la symétrie électron-trou joue un rôle important. Ces dispositifs hybrides pourraient être exploités pour créer des sources efficaces de paires de particules intriquées ou des systèmes topologiques élaborés, ce qui nous permettrait de faire un pas de plus vers la réalisation de dispositifs topologiques d'informatique quantique".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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