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The controllable splitting of a single Cooper pair in a hybrid quantum dot system

 

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La division contrôlable d'une seule paire de Cooper dans un système hybride de points quantiques

par Ingrid Fadelli, Phys.org

Un diagramme abstrait de deux types de séparateurs de paires Cooper. Le séparateur de paires de Cooper conventionnel (y compris les parties estompées du diagramme) consiste en un contact supraconducteur séparé de deux contacts métalliques ordinaires par deux points quantiques. Lorsqu'un courant est appliqué à travers le circuit, les paires de Cooper sont forcées par les points quantiques à se diviser avant de quitter l'appareil dans les contacts métalliques. Dans notre approche (sans les parties décolorées), il n’y a pas de contacts et le supraconducteur est un morceau de matériau isolé. En appliquant des champs électriques avec des tensions V_L et V_R aux points quantiques, nous pouvons attirer des électrons sur les points en divisant une paire de Cooper, après quoi les électrons restent stables sur les points. Crédit : de Jong et al.

Les paires de Cooper sont des paires d'électrons dans des matériaux supraconducteurs liés les uns aux autres à basse température. Ces paires d’électrons sont à l’origine de la supraconductivité, un état dans lequel 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 très 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 constitutifs au sein d'un système hybride de points quantiques, les conservant après la division. Leur article, publié dans Physical Review Letters, pourrait ouvrir de nouvelles voies 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 le courant électrique sans résistance, sont formées par des paires d'électrons qui devraient être parfaitement intriqués quantiquement", Christian Prosko, l'un des auteurs de l'étude. papier, a déclaré à Phys.org.

"Des travaux antérieurs menés par de nombreux groupes de recherche ont consisté à diviser les paires de Cooper en leurs deux électrons constitutifs pour vérifier cet intrication, mais nous espérions tirer parti de ces expériences en fabriquant un dispositif dans lequel on pourrait "retenir" deux électrons après avoir divisé un paire pour étudier plus en détail leurs propriétés.

Bien que les chercheurs aient identifié plusieurs façons de vérifier si deux particules sont intriquées quantiquement, la rétention des particules après leur division peut grandement faire progresser ces efforts. Le laboratoire de Leo P. Kouwenhoven à la TU Delft est spécialisé dans les techniques qui exploitent les résonateurs micro-ondes pour sonder le mouvement des électrons, permettant ainsi le contrôle des électrons dans les appareils sans avoir à faire passer des courants électriques à travers eux.

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

"En même temps, nous voulions démontrer une méthode permettant de 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 le moment où un électron individuel saute dessus ou en sort. Je dois noter ici qu'au moment de ce travail, un autre groupe a observé la division de paires simples

Les dispositifs conventionnels permettant de diviser les électrons liés en paires de Cooper se composent d'un contact électrique 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 dans les supraconducteurs est transporté par des paires d'électrons de 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 séparer afin de traverser les points quantiques vers les autres bornes métalliques de votre circuit", a expliqué Prosko. "Dans notre cas, nous avons remplacé le fil supraconducteur par un morceau isolé de supraconducteur et nous sommes entièrement débarrassés des contacts électriques. En appliquant des champs électriques aux points quantiques et au supraconducteur, nous avons pu "pousser" une seule paire de Cooper hors du supraconducteur, le forçant à se diviser en deux points quantiques.

En raison de sa conception unique et de l’absence de contacts électriques, le système hybride de points quantiques créé par Prosko et ses collègues n’est traversé par aucun courant électrique. Lorsqu'ils ont « poussé » une seule paire de Cooper hors du supraconducteur, les électrons se sont isolés sur les points quantiques. Grâce à ce processus, les chercheurs ont pu conserver des électrons divisés qui faisaient auparavant partie d’une seule paire de Cooper.

"Notre travail récent comprenait deux parties : diviser une seule paire de Cooper et conserver les électrons résultants, et démontrer séparément une méthode de détection d'électrons uniques sautant sur un point quantique sans capteurs de charge externes", a déclaré Prosko. "Ces deux réalisations combinées permettraient de provoquer des événements de division de paires de Cooper et de détecter les électrons émergents en temps réel, nous rapprochant ainsi du test de l'intrication quantique des électrons qui est si fondamentale pour la supraconductivité."

Certains des auteurs de cet article ont maintenant terminé leur doctorat. à la TU Delft et a commencé à travailler dans d'autres instituts et entreprises. À l'avenir, ces chercheurs et d'autres étudiants qui font toujours partie du laboratoire de Kouwenhoven continueront à explorer la supraconductivité, l'intrication quantique et l'informatique quantique.

"Nous espérons que nos groupes de recherche continueront à combiner la technique de division d'une seule paire de Cooper avec des capteurs de parité capables également de détecter le spin magnétique des électrons", a ajouté Prosko.

"Cela permettrait de tester l'inégalité de Bell, où nous pourrions vérifier que les électrons dans les supraconducteurs sont réellement intriqués quantiquement. Des tests similaires ont été effectués sur les électrons dans les qubits semi-conducteurs. Dans un autre registre, notre groupe de recherche s'est beaucoup intéressé à la paire de Cooper.récemment comme moyen de construire des qubits particulièrement robustes à partir de ce que l'on appelle les « États liés à Majorana », et ces qubits pourraient être plus efficaces en utilisant notre approche consistant à se débarrasser de certains des contacts principaux. »

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COMMENTAIRES 

Voila encore un sujer pour agrementer le mystère de l! intrication !Sincérement pensez vous   que les paires de Cooper sont intriquées quantiquement ? Ma foi j avoue n avoir jamais vraiment compris le mécanisme ! Le paradigme dit :

"Cette recherche a été motivée par le fait que les paires de Cooper, les ingrédients fondamentaux de la supraconductivité qui transportent le courant électrique sans résistance, sont formées par des paires d'électrons qui devraient être parfaitement intriqués quantiquement", 

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More information: Damaz de Jong et al, Controllable Single Cooper Pair Splitting in Hybrid Quantum Dot Systems, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.157001.

Journal information: Physical Review Letters 

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