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Posté par Michel le Vendredi 01/11/2013 à 00:00
Le « leviton », une onde électronique silencieuse
Des physiciens du CEA et du CNRS (1) ont réussi à injecter quelques électrons dans un conducteur sans que ceux-ci y apportent de perturbation. Ce résultat a été possible grâce à la génération d'impulsions électriques à profil temporel « lorentzien » ultra-court. L'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) quantique électronique obtenue, baptisée par les chercheurs « leviton », se propage sans bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu...) et sans déformation comme le font certaines ondes solitaires optiques ou hydrodynamiques connues (solitons). Ces travaux ouvrent la voie à l'utilisation de sources d'électrons « à la demande », simples et fiables, utiles à terme pour des applications en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) et en information quantique. Ces résultats (2) ont été publiés le 31 octobre dans l'édition papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme...) de la revue Nature.

Comment produire et transporter une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) électrique dans un conducteur à l’échelle du monde (Le mot monde peut désigner :) quantique ? Cette opération se heurte à une difficulté importante. Les charges se déplacent dans un conducteur rempli d’électrons. L’introduction d’une charge supplémentaire met alors toutes les autres charges en mouvement. Comme si une goutte tombant dans la mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) provoquait de hautes vagues ! Dans le monde quantique, ces « vagues » d’électrons trahissent leur présence par des fluctuations électriques: on parle de « bruit de grenaille » (3).

Les chercheurs se sont intéressés à la proposition, datant de près de vingt ans, du théoricien du MIT, Leonid Levitov. Si on applique une impulsion de courant particulière à un conducteur, celle-ci peut n’engendrer aucune « vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les vagues sont générées par le vent et ont une amplitude crête-à-crête allant de quelques...) » dans la « mer » d’électrons que forme le conducteur. Pour réunir ces conditions, il faut que la charge électrique correspondante soit un multiple de celle de l’électron et son profil temporel une courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) de type lorentzienne.

Des physiciens du CEA et du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) ont réussi à injecter dans un conducteur une telle impulsion, ne dépassant pas une durée de quelques dizaines de picosecondes, grâce à un générateur de signaux arbitraire toutes les 40 picosecondes (10^-12 s). La conception du conducteur et du détecteur de bruit est, quant à elle, issue de l’expertise du laboratoire de Nanoélectronique du CEA, pionnier dans la mesure de bruit depuis les années 1990 et de celle de ces collaborateurs du laboratoire de photonique et de nanostructures du CNRS, experts dans l'élaboration de nanotechnologies de structures de très haute qualité depuis le milieu des années 80. Le nano-circuit utilisé comprend un « contact ponctuel (En géométrie, un point est le plus petit élément constitutif de l'espace de travail.) quantique » destiné à contraindre la géométrie du conducteur (nanofil). Ce contact est matérialisé par deux nano-électrodes perpendiculaires au passage des charges, séparées de trente nanomètres seulement. La mesure du bruit et de son extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque chose. Plus particulièrement on retrouve ce...) est une véritable prouesse quand on sait qu’il ne dépasse pas un femto-ampère (10^-15 Ampère). Les chercheurs ont pu vérifier expérimentalement que seules les excitations électroniques satisfaisant les critères de Leonid Levitov « éteignent » le bruit.

Par analogie avec les « solitons » (4), des ondes « solitaires » capables de se propager sur de très longues distances sans altération, les chercheurs ont baptisé ces excitations fondamentales d’une nature nouvelle « levitons » (contraction de « Levitov » et « soliton »). Ces levitons ouvrent la voie à des sources d’électrons « à la demande », simples et fiables, permettant de réaliser des interférences à plusieurs électrons dans un conducteur. Au-delà de son intérêt en physique quantique, la génération de levitons repose sur une propriété remarquable de modulation des ondes qui pourrait avoir des applications en physique et en information quantique.


Notes:

(1) Groupe Nanoélectronique, Service de Physique de l'état condensé (SPEC, CNRS/CEA) / Iramis ; Laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN, CNRS).

(2) Des chercheurs de l'ETH de Zürich ont participé à cette étude.

(3) Il s’agit pour des électrons de l’analogue du bruit de photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) qui est lié à la nature corpusculaire des particules.

(4) Rencontrés dans de nombreux phénomènes physiques, un soliton est une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) qui se propage sans se déformer dans un milieu non linéaire et dispersif. Par exemple, un mascaret (Le mascaret est un phénomène de brusque surélévation de l'eau d'un fleuve ou d'un estuaire provoquée par l'onde de la marée montante lors des grandes marées. Il...) est une forme de soliton.


Référence:

Electron counting statistics and coherent (Le systèmes d'exploitation Coherent a été créé en 1983 par la défunte Mark Williams Company comme l'un des premiers systèmes de type UNIX pour ordinateur IBM PC-compatible....) states of electric current, L. S. Levitov, H. Lee, and G. Lesovik, J. Math. Phys. 37, 4845 (1996) - Levitons as on-demand quiet Fermions for electron quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit celle de l'énergie, de la...) optics, J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par...), A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau, and D. C. Glattli, 31/10/2013 in Nature - Ces résultats sont disponibles sur le site de Nature depuis le 23/10/2013.


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Source: CNRS
Illustration: (c) Nature
 
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