Ilustração de nanofios de serpentina esboçados criados a partir de aluminato de lantânio e titanato de estrôncio. O movimento lateral dos elétrons à medida que viajam dá a eles propriedades adicionais que podem ser usadas para fazer dispositivos quânticos. Crédito:Jeremy Levy
Uma equipe de pesquisa liderada por professores do Departamento de Física e Astronomia criou um caminho serpentino para os elétrons, imbuindo-os com novas propriedades que poderiam ser úteis em futuros dispositivos quânticos.
Jeremy Levy, um distinto professor de física da matéria condensada, e Patrick Irvin, professor de pesquisa, são co-autores do artigo "Engineered spin-orbit interaction in LaAlO 3 / SrTiO 3 com base em guias de onda de elétrons em serpentina 1D, " publicado em Avanços da Ciência em 25 de novembro.
"Já sabemos como disparar elétrons balisticamente por meio de nanofios unidimensionais feitos desses materiais de óxido, "explica Levy." O que é diferente aqui é que mudamos o ambiente para os elétrons, forçando-os a tecer para a esquerda e para a direita enquanto viajam. Este movimento muda as propriedades dos elétrons, dando origem a um novo comportamento. "
O trabalho é liderado por um recente Ph.D. destinatário, Dra. Megan Briggeman, cuja tese foi dedicada ao desenvolvimento de uma plataforma para "simulação quântica" em uma dimensão. Briggeman também é o autor principal de um trabalho relacionado publicado no início deste ano em Ciência , onde uma nova família de fases eletrônicas foi descoberta em que os elétrons viajam em pacotes de 2, 3, e mais por vez.
Os elétrons se comportam de maneira muito diferente quando forçados a existir ao longo de uma linha reta (ou seja, em uma dimensão). Isso é conhecido, por exemplo, que os componentes de spin e carga dos elétrons podem se separar e viajar em velocidades diferentes através de um fio 1D. Esses efeitos bizarros são fascinantes e também importantes para o desenvolvimento de tecnologias quânticas avançadas, como os computadores quânticos. O movimento ao longo de uma linha reta é apenas uma das inúmeras possibilidades que podem ser criadas usando esta abordagem de simulação quântica. Esta publicação explora as consequências de fazer os elétrons se entrelaçarem de um lado para o outro enquanto estão descendo em um caminho linear.
Uma proposta recente para computação quântica protegida topologicamente aproveita os chamados "férmions de Majorana", partículas que podem existir em fios quânticos 1D quando certos ingredientes estão presentes. O LaAlO 3 / SrTiO 3 sistema, acontece que, tem a maioria, mas não todas as interações necessárias. Ausente é uma "interação spin-órbita" suficientemente forte que pode produzir as condições para férmions de Majorana. Uma das principais descobertas deste último trabalho de Levy é que as interações spin-órbita podem de fato ser projetadas por meio do movimento serpentino que os elétrons são forçados a realizar.
Além de identificar novos acoplamentos spin-órbita projetados, a repetição periódica do caminho serpentino cria novas maneiras de os elétrons interagirem uns com os outros. O resultado experimental disso é a existência de condutâncias fracionárias que se desviam daquelas esperadas para elétrons únicos.
Esses caminhos de slalom são criados usando uma técnica de esboço em nanoescala análoga a um brinquedo Etch A Sketch, mas com um tamanho de ponto que é um trilhão de vezes menor em área. Esses caminhos podem ser esboçados e apagados repetidamente, cada vez criando um novo tipo de caminho para os elétrons percorrerem. Esta abordagem pode ser pensada como uma forma de criar materiais quânticos com propriedades reprogramáveis. Cientistas de materiais sintetizam materiais de maneira semelhante, extraindo átomos da tabela periódica e forçando-os a se organizarem em arranjos periódicos. Aqui, a rede é artificial - um zigue-zague do movimento ocorre em um espaço de dez nanômetros, em vez de uma distância atômica sub-nanométrica.
Imposição, que também é diretor do Pittsburgh Quantum Institute, afirmou que este trabalho contribui para um dos principais objetivos da Segunda Revolução Quântica, que é explorar, Compreendo, e explorar toda a natureza da matéria quântica. Uma compreensão melhorada, e a capacidade de simular o comportamento de uma ampla gama de materiais quânticos, terá consequências abrangentes. "Esta pesquisa se enquadra em um esforço maior aqui em Pittsburgh para desenvolver novas ciências e tecnologias relacionadas à segunda revolução quântica, " ele disse.
