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Posté par Redbran le Vendredi 03/02/2017 à 12:00
Transporter l’information stockée sur un électron unique
Des physiciens viennent de réaliser un canal permettant de transférer un électron unique entre deux boites quantiques distantes de 4 micromètres sans perdre l’information stockée sur ce dernier.

Un électron unique piégé dans une nanostructure semi-conductrice constitue une mémoire magnétique élémentaire pour stocker un bit d’information quantique. Cette mémoire est bien protégée par son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec...) solide, mais si l’on souhaite l’utiliser pour communiquer ou calculer, encore faut-il être capable de déplacer cette information en la préservant. Jusqu’à présent, cela n’était possible qu’à l’échelle de quelques centaines de nanomètres et nécessitait le contrôle complexe de réseaux de boîtes quantiques couplées par effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement...).

Des physiciens de l’Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) Néel (CNRS) en collaboration avec des chercheurs japonais et allemands viennent de concevoir et réaliser un dispositif permettant de transférer l’information stockée sur le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa...) d’un électron unique entre deux boites quantiques distantes de 4 microns. Ils ont pour cela réalisé un canal vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) d’électron entre deux boites semi-conductrices et propulsé dans ce canal l’électron stocké dans l’une des deux boites à l’aide d’une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension...) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...). La durée de transfert, de l’ordre la nanoseconde, est alors assez rapide pour que l’information portée par l’électron ne soit pas détruite par les mécanismes de relaxation et de décohérence. Ce travail est publié dans la revue Nature Nanotechnology.


Illustration du transfert d’un électron unique assisté par une onde acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique vibratoire.) de surface. Des grilles métalliques, de quelques dizaines de nanomètre de largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En...), permettent de définir deux boîtes quantiques connectées par un canal unidimensionnel dans lequel se propage l’électron. © Benoit Bertrand - NEEL

Pour réaliser leurs boites quantiques, les chercheurs ont déposé de fines grilles d’or à la surface d’une couche d’arséniure de gallium et d’aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) (AlGaAs) déposée sur un substrat d’arséniure de gallium (GaAs). Ils piègent ainsi des électrons se déplaçant librement à l’interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de...) entre les deux matériaux semi-conducteurs à l’aide du potentiel électrostatique créé par les grilles. Ce dispositif leur permet aussi de réaliser in situ un électromètre qui leur permet de mesurer simultanément la présence d’un électron dans la boite et son état de spin.

Des travaux antérieurs avaient déjà permis aux physiciens de conserver pendant quelques millisecondes une information de spin stockée sur un électron unique et piégé. Pour transférer cet électron entre deux boites, les chercheurs ont utilisé le même principe de grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision....) électrostatique pour réaliser un canal quasi unidimensionnel et vide d’électrons entre deux boites quantiques statiques et séparées de 4 micromètres. L’électron se déplace alors dans des boites quantiques en mouvement générées dans le canal par effet piézoélectrique grâce à l’envoi contrôlé d’onde acoustique de surface à une fréquence de 2.6 GHz. L’électron se déplace alors à la vitesse (On distingue :) du son et met 1.3 ns pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d’une boite quantique à l’autre. La procédure complète de transfert d’information à l’aide d’électrons uniques revient alors à stocker une information de spin dans l’électron initialement piégé dans la première boite quantique statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :), à l’injecter dans une boite quantique en mouvement afin de le transférer dans la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...) boite statique. Finalement, le spin de l’électron est mesuré dans cette seconde boite quantique.

En répétant cette procédure une dizaine de milliers de fois, les physiciens ont quantifié la fidélité du transfert d’information. Celle-ci approche actuellement les 65 %. Elle est limitée pour l’instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une...) par des processus de dépolarisation de spin principalement actif au cours l’injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) entre boites quantiques statiques et en mouvement.

Référece publication:
Fast spin information transfer between distant 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...) dots using individual electrons
B. Betrand, S. Hermelin, S. Takada, M. Yamamoto, S. Tarucha, A. Ludwig, A. D. Wieck, C. Bäuerle et T. Meunier
Nature Nanotechnology (2016), doi:10.1038/nnano.2016.82

Contact chercheur:
Tristan Meunier, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) 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).)

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Source: CNRS-INP