La séparation contrôlable d'une seule paire de Cooper dans un système à points quantiques hybrides.

6 novembre 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les paires de Cooper sont des paires d'électrons dans des matériaux supraconducteurs qui sont liés entre eux à basse température. Ces paires d'électrons sont à la base de la supraconductivité, un état où les matériaux n'ont aucune résistance à basse température en raison des effets quantiques. En tant que systèmes quantiques relativement grands et faciles à manipuler, les supraconducteurs sont extrêmement utiles pour le développement d'ordinateurs quantiques et d'autres technologies avancées. 

Des chercheurs de l'Université de Technologie de Delft (TU Delft) ont récemment démontré la division contrôlable d'une paire de Cuivre en ses deux électrons constituants au sein d'un système de point quantique hybride, en les maintenant après la division. Leur article, publié dans Physical Review Letters, pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour l'étude de la supraconductivité et de l'intrication dans les systèmes de points quantiques.

"Cette recherche a été motivée par le fait que les paires de Cooper, les ingrédients fondamentaux de la supraconductivité qui transportent un courant électrique sans résistance, sont formées par des paires d'électrons censées être parfaitement intriquées quantiquement", a déclaré Christian Prosko, l'un des auteurs de l'article, à Phys.org.

"Des travaux antérieurs de nombreux groupes de recherche ont consisté à diviser les paires de Cooper en leurs deux électrons constituants pour vérifier cette intrication, mais nous espérions progresser par rapport à ces expériences en fabriquant un dispositif dans lequel on pourrait 'retenir' deux électrons après avoir divisé une paire pour étudier davantage leurs propriétés".

Alors que les chercheurs ont identifié plusieurs façons de vérifier si deux particules sont intriquées quantiquement, le fait de retenir les particules après leur division peut grandement faciliter ces efforts. Le laboratoire de Leo P. Kouwenhoven à la TU Delft se spécialise dans les techniques d'exploitation de résonateurs micro-ondes pour sonder le mouvement des électrons, ce qui permet le contrôle des électrons dans les dispositifs sans avoir à leur faire passer du courant électrique.

"Dans notre cas, nous les retenons en veillant à ce qu'ils soient piégés dans des points quantiques, des régions d'un matériau semi-conducteur conçues pour se comporter comme une boîte pour retenir des électrons", a déclaré Prosko.

"Dans le même temps, nous voulions démontrer une méthode pour détecter réellement le moment où une paire de Cooper est divisée, nous avons donc conçu un détecteur à partir de points quantiques qui peut détecter quand un électron individuel saute dessus ou en saute. Je dois noter ici qu'à l'époque de ces travaux, un autre groupe a observé la division de paires de Cooper individuelles".

Les dispositifs classiques pour diviser les électrons liés dans les paires de Cooper sont composés d'un contact électrique à base de supraconducteur et de deux contacts métalliques ordinaires, séparés par des points quantiques. Les points quantiques ne reçoivent généralement qu'un électron à la fois, tandis que le courant électrique circulant à travers les semi-conducteurs est porté par des paires d'électrons Cooper.

"Si vous forcez un courant entre le supraconducteur et les contacts métalliques, les paires de Cooper n'ont d'autre choix que de se diviser pour passer à travers les points quantiques vers les autres bornes métalliques de votre circuit", explique Prosko. "Dans notre cas, nous avons remplacé le fil supraconducteur par un morceau isolé de supraconducteur et nous nous sommes débarrassés des contacts électriques entièrement. En appliquant des champs électriques aux points quantiques et au supraconducteur, nous avons pu 'pousser' une paire de Cooper unique hors du supraconducteur, la forçant à se diviser sur les deux points quantiques".

En raison de sa conception unique et de l'absence de contacts électriques, le système de points quantiques hybrides créé par Prosko et ses collègues ne présente aucun courant électrique. Lorsqu'ils ont "poussé" une paire de Cooper unique hors du supraconducteur, les électrons sont devenus isolés sur les points quantiques. Grâce à ce processus, les chercheurs ont pu retenir les électrons divisés qui faisaient auparavant partie d'une seule paire de Cooper.

"Nos travaux récents se composaient de deux parties : diviser une paire de Cooper unique et retenir les électrons résultants, et démontrer séparément une méthode pour détecter les électrons uniques qui sautent sur un point quantique sans capteur de charge externe", a déclaré Prosko. "Ces deux réalisations permettraient à quelqu'un de provoquer des événements de division de paires de Cooper et de détecter en temps réel les électrons émergents, nous rapprochant ainsi d'un test de l'intrication quantique des électrons qui est si fondamentale pour la supraconductivité".

Some of the authors of this paper have now completed their Ph.D. at TU Delft and started working at other institutes and companies. In the future, these researchers and other students who are still part Kouwenhoven's lab will continue exploring superconductivity, quantum entanglement, and quantum computing.

'We hope our research groups will continue combining the single Cooper pair splitting technique with parity sensors that can also detect the magnetic spin of electrons,' Prosko added.

'This would allow for a test of Bell's inequality, where we could verify that electrons in superconductors really are quantum entangled. Similar tests have been carried out on electrons in semiconducting qubits. On another note, our research group has been very interested in Cooper pair splitters recently as a way to build especially robust qubits out of exotic so-called 'Majorana bound states', and these qubits might be more effective by using our approach of getting rid of some of the lead contacts.'

Journal information: Physical Review Letters

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