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Guide quantique pour électrons

Un chercheur de l’X est impliqué dans la réalisation du premier guide d’électrons dans le graphène, préservant leur caractère quantique en fonctionnant comme une fibre optique. Ce nouvel outil d’optique électronique est détaillé dans revue Physical Review Letters du 22 novembre 2019 et pourrait s’intégrer aux futures technologies quantiques.

Guidage d'électrons dans le graphèneVue d’artiste du guide d’électron réalisé par Austin Cheng, Jane Cheng, Julia Mok et Jonathan van der Stel

Le guidage des électrons existe depuis longtemps : dans un fil de cuivre, en appliquant une différence de potentiel, il est possible de faire circuler des électrons en créant ainsi un courant électrique. Néanmoins, ce guidage est désordonné et implique de nombreux électrons qui interagissent. Grâce au travail initié par Jean-Damien Pillet, chercheur au Laboratoire de des Solides irradiés*, il est désormais possible de faire circuler des électrons dans un guide monomode qui préserve leur caractère ondulatoire et leurs caractéristiques quantiques. Ces travaux sont publiés le 22 novembre 2019 dans la prestigieuse revue Physical Review Letters.

Une prouesse technique

Pour réaliser ce guide, Austin Cheng, doctorant à Harvard sous la direction de Philip Kim et Jean-Damien Pillet, a utilisé un nanotube de carbone placé à proximité d’une surface de graphène (voir illustration ci-dessus). Ces deux éléments ne sont pas en contact et une tension est appliquée dans le nanofil afin de créer un puit de potentiel dans le plan du graphène. Ce puit de potentiel, illustré dans l’image par une courbure du graphène (en réalité le graphène reste plan) va guider les électrons qui sont ainsi piégés sous le nanofil comme le sont des photons dans une fibre optique ou des skateurs dans un half-pipe.

Sur un plan technique, cette solution technologique permet tout d’abord d’avoir un guidage monomode, c’est-à-dire qu’un seul « chemin » n’est possible pour les électrons et ils n’interagissent pas avec des électrons qui auraient pris un autre chemin. De plus, l’utilisation de graphène qui présente une dispersion linéaire permet de transmettre des paquets d’ondes sans distorsion afin de transmettre de l’information quantique.

Des applications potentielles

Ce guide pourrait à terme être intégré dans l’architecture d’un ordinateur quantique pour transmettre les informations codées dans le spin, l’énergie ou le moment des électrons. Il pourra plus largement être utilisé pour réaliser sur l’électron des expériences dédiées jusqu’à présent aux photons, et faire ainsi progresser le domaine de l’optique électronique.

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* Une UMR Ecole polytechnique, CNRS, CEA