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Univ. Paris-Saclay

Dans un atome, les niveaux d’énergie électroniques présentent une structure fine : certains niveaux se dédoublent du fait de l’interaction spin-orbite, qui couple le spin de l’électron à son mouvement orbital autour du noyau. Des chercheurs du Groupe Quantronique viennent de révéler une structure analogue dans le spectre d’excitation d’un circuit électrique supraconducteur comprenant un nanofil semiconducteur, au sein duquel le couplage spin-orbite est très fort. D’une façon remarquable, le spin d’un seul électron dans le nanofil a un effet mesurable sur les propriétés électriques globales du circuit, qui comprend plus d’un trillion d’électrons.

L'électron est une particule élémentaire portant la charge élémentaire "e", une constante fondamentale de la physique. Cependant, dans un conducteur confiné en 2 dimensions soumis à un champ magnétique intense (10 T), les électrons peuvent s’organiser en un nouvel état quantique topologiquement corrélé où le courant électrique peut être transporté par des charges fractionnaires : e/3, e/4, e/5… . Ni fermions (comme les électrons), ni bosons (comme les photons), ces particules élémentaires artificielles sont dénommées anyons, car on pense qu’elles obéissent à une "statistique quantique fractionnaire". Certaines variétés d’anyons pourraient être exploitées pour le "calcul quantique topologique", où l'information quantique est portée par des états bien définis (qubit), car topologiquement protégés.

Une équipe du SPEC CEA, en collaboration avec le Cavendish Laboratory de Cambridge (UK) pour l'élaboration du matériau, a montré que l’on pouvait observer et manipuler des anyons de charge fractionnaire e* = e/3 ou e/5, avec des photons microondes de fréquence f. Ceci est mis en évidence par l'observation, en présence d'une polarisation V et d'un champ microonde de fréquence f, d'un bruit photo-assisté excédentaire, mesuré au-delà d'une tension seuil VJ donnée par la relation de Josephson : e*VJ=hf. Ces résultats sont publiés dans la revue "Science".

La mesure de ce seuil apporte une nouvelle détermination originale de la charge fractionnaire des anyons. Elle donne aussi la preuve que les anyons peuvent absorber ou émettre des photons, ce qui ouvre une voie pour leur manipulation résolue en temps et tenter de mettre en évidence leur statistique fractionnaire.

La résonance magnétique a un impact important dans nos vies de tous les jours, de l’imagerie médicale au contrôle qualité dans la production de bière. Cette technique utilise de puissants aimants et des impulsions radio-fréquence ou micro-ondes pour révéler de faibles concentrations de molécules dans une substance. Améliorer la sensibilité – ce qui peut être obtenu en augmentant le signal ou en réduisant le bruit – permet à de plus faibles quantités de matériel d’être mesurées et constitue donc une quête incessante de la discipline.

Depuis 2015 les chercheurs du groupe Quantronique du SPEC (IRAMIS), au sein d’une collaboration avec des chercheurs de UCL à Londres et de l’université de Aarhus au Danemark, appliquent les techniques des circuits supraconducteurs quantiques refroidis à ultra-basse température (10 millikelvins) à la résonance magnétique. En particulier les spins électroniques sont couplés à un résonateur supraconducteur fabriqué à la surface de l’échantillon dont les dimensions transverses du fil servant d’inductance (cf figure 2) sont de l’ordre de quelques micromètres afin de confiner le champ micro-onde et d’exalter l’interaction avec les spins. Les premiers résultats obtenus en 2016 avaient montré une sensibilité record de 1700 spins détectables avec un rapport signal-à-bruit de 1 en 1 seconde d’intégration [1]. Dans cette expérience, les très basses températures nous permettaient de supprimer complètement la composante thermique du bruit, mais il restait les fluctuations quantiques du champ micro-onde dans son état fondamental (le vide).

En 2017 les chercheurs ont amélioré ces résultats en réalisant deux expériences différentes.

Les photons intriqués jouent un rôle fondamental pour la compréhension et la vérification expérimentale des aspects les plus spectaculaires de la physique quantique, notamment dans les expériences de violation des inégalités de Bell. En outre, ils constituent des ressources potentielles pour des protocoles de télécommunication et de transmission de l’informatique quantique. Nous avons récemment montré qu’une jonction Josephson polarisée en tension offre une source particulièrement simple et brillante de paires de photons intriqués.

Groupe Nanoélectronique

 

Lorsqu’un conducteur quantique est exposé à du rayonnement électromagnétique, ses propriétés de transport sont modifiées par l'interaction entre la lumière et les électrons se propageant dans le conducteur quantique. Une des signatures de cette interaction est l’augmentation du bruit électronique généré par le conducteur alors même qu’aucun courant continu ne passe dans le conducteur. Ce phénomène, appelé bruit photo-assisté, a été prédit et largement exploré dans le domaine micro-ondes, où divers types de conducteurs quantiques ont été exposés à des signaux à des fréquences allant jusqu’à plusieurs dizaines de gigahertz. Le groupe Nanoélectronique du SPEC a mis en œuvre une expérience inédite visant à observer le bruit photo-assisté dans un conducteur en graphène exposé à des radiations dans le domaine terahertz, plusieurs ordres de grandeurs au-delà des observations précédentes. Leurs travaux sont publiés dans Physical Review Letters.

 

Les circuits électroniques exploitant les lois de la mécanique quantique ont émergé, ces dernières années, comme une plate-forme permettant de réaliser des tâches hors de portée des circuits classiques. On peut penser, par exemple, aux promesses du calcul quantique ou de l'électronique moléculaire, mais les circuits quantiques permettent également de réaliser des amplificateurs de sensibilité ultime, de communiquer via des champs électromagnétiques non-classiques, etc...

La réalisation d'un circuit quantique n'est cependant pas aussi simple que celui d'un circuit classique où il suffit de rassembler et connecter des composants. Dans le monde quantique, chaque composant intéragit avec l'ensemble des éléments du circuit, ce qui conduit à de nouelles règles d'assemblage. Dans un article paru dans la revue en ligne en accès libre Physical Review X [1], des chercheurs des groupes Nanoélectronique et Quantronique du SPEC établissent ces nouvelles règles pour une large classe de composants quantiques, ouvrant ainsi la voie à une ingénierie des circuits quantiques.

 

Il est fascinant de pouvoir aujourd'hui construire des dispositifs (capteurs, dispositifs opto-électroniques, réalisation de qubits, …) dont le comportement quantique se manifeste à notre échelle. Pour aller au-delà, il faut réaliser chacune des fonctions nécessaires à la manipulation des objets quantiques, puis savoir les interconnecter, pour observer leur comportement et permettre le traitement de l'information quantique. Dans ce domaine, un enjeu fort aujourd’hui : identifier de nouveaux matériaux, où l’information quantique pourrait être traitée sur des dimensions macroscopiques. Pour ceci, le graphène est un bon candidat, au sein duquel il doit être possible de préserver la cohérence quantique à travers un système étendu.

Ainsi, une collaboration, entre des chercheurs du groupe de Nanoélectronique du SPEC et des chercheurs de NTT-BRL au Japon, montre qu'il est possible de réaliser une lame semi-réfléchissante, permettant de séparer et transmettre selon deux directions distinctes une même fonction d'onde électronique. Par l’application d’un fort champ magnétique perpendiculaire et l’utilisation de grilles électrostatiques, il est en effet possible de contrôler les trajectoires électroniques dans un plan de graphène nanostructuré, de manière à partitionner les électrons au niveau d’une jonction p-n.

Les chercheurs de la collaboration vont maintenant implémenter ces jonctions p-n, équivalent électronique d’une lame semi-réfléchissante, dans des expériences d’optique quantique électronique, où les électrons sont manipulés de manière analogues aux photons dans les fibres optiques, ceci afin de mieux comprendre les propriétés quantiques du transport électronique dans le graphène.

 

L’émission spontanée de rayonnement est l’un des mécanismes fondamentaux par lesquels un système quantique excité retourne à l’équilibre. Dans l’espace libre, le taux d’émission spontanée, pour le retour de spins excités vers leur état fondamental, est cependant extrêmement faible (un photon émis tous les 30 000 ans !).  Le temps de relaxation T1 de retour des spins à l’équilibre peut alors devenir excessivement long à basse température, rendant de nombreuses mesures tout simplement impossibles. En 1946, Purcell réalisa que la probabilité d’émission spontanée peut être fortement augmentée si un système quantique est placé dans une cavité accordée à sa fréquence de résonance [1]. Dans un article publié par la revue Nature [2]., une collaboration CEA / LCN / Université de Berkeley rapporte la première application de cet "effet Purcell" à des spins électroniques dans les solides. En couplant le spin de donneurs dans le silicium à une cavité micro-onde supraconductrice de facteur de qualité élevé et de faible volume de mode, les auteurs atteignent le régime où l’émission spontanée constitue le mode dominant de relaxation. Cela se traduit par une diminution de 3 ordres de grandeur du temps de relaxation - de 1 000 s à 1 s - lorsque la fréquence de résonance des spins est accordée à résonance avec la cavité, prouvant ainsi que la relaxation de spin peut être contrôlée à la demande.

Les applications de cs résultat sont à chercher du côté de la résonance paramagnétique électronique (RPE) et de l’information quantique. En RPE, le contrôle de la relaxation de spin par la cavité devrait résoudre le problème des temps de relaxation excessivement longs à basse température, et aussi ouvrir la voie à de nouveaux protocoles de polarisation dynamique de spin nucléaire . En information quantique, ces résultats constituent un pas important vers le couplage cohérent d’un spin à des photons micro-ondes, qui pourrait mener à plus long terme vers le développement d’un futur processeur quantique basé sur des spins individuels.

 

La spectroscopie par Résonance de Spin Electronique (ESR) permet de déterminer la concentration et les propriétés des espèces paramagnétiques présentes dans un échantillon, ce qui en fait un outil d’analyse important pour la biologie et la chimie. La sensibilité des spectromètres les plus performants à l’heure actuelle ne permet cependant pas de détecter moins de 107 spins en une expérience, ce qui limite l’applicabilité de la méthode à des échantillons macroscopiques.

Comme le rapporte dans un article de Nature Nanotechnology une collaboration de chercheurs autour de l'équipe quantronique du SPEC,  Il est possible d’améliorer de 4 ordres de grandeur cette sensibilité en utilisant des techniques issues de la recherche sur les circuits supraconducteurs, permettant ainsi la détection de seulement 2 000 spins en une expérience et ouvrant la voie à la spectroscopie ESR de nano-échantillons.

L'objectif final ? Dans le cadre du projet ERC porté par Patrice Bertet : "Pousser la sensibilité de la méthode à sa limite quantique ultime", c’est-à-dire détecter un unique spin électronique ! Outre la possibilité d’effectuer la spectroscopie ESR de molécules uniques, ceci constituerait un tout premier pas vers le développement d’un processeur quantique à base de spins individuels intriqués et mesurés par des circuits électriques supraconducteurs.

 

C. Janvier, L. Tosi, L. Bretheau, P. Senat, P.F. Orfila, Ç. Ö. Girit, M. Stern, P. Bertet, P. Joyez, D. Vion, D. Esteve, M. F. Goffman, H. Pothier, C. Urbina, Groupe Quantronique

Localisés dans tout lien faible entre deux éléments supraconducteurs, des états électroniques bien spécifiques, appelés états d’Andreev, sont présents au sein du gap supraconducteur. Ces états sont observés par exemple dans les expériences réalisées avec des contacts à un seul atome entre deux électrodes supraconductrices. Par un dispositif original, où la boucle supraconductrice et son lien faible sont couplés à un résonateur microonde, il est possible d'exciter et suivre les populations dans une superposition de ces états. L'observation des oscillations de Rabi entre l'état fondamental et le premier état excité d'Andreev, ainsi que la mesure du temps de cohérence du système apportent la démonstration que le système constitue un nouveau type de qubit supraconducteur.

 

Les états d’Andreev
Les états d’Andreev apparaissent dans les supraconducteurs inhomogènes : dans un vortex, à proximité d’une impureté magnétique, ou dans un lien faible entre deux supraconducteurs. Dans ces situations, la phase du supraconducteur, propriété macroscopique de la fonction d’onde qui décrit l’état quantique de tous les électrons de conduction, varie alors en fonction de la position. Cette inhomogénéité de la phase conduit à une frustration de la supraconductivité et les électrons au niveau de Fermi gagnent une énergie inférieure au gap supraconducteur Δ lors de la transition supraconductrice. On obtient des états localisés, appelés états d’Andreev. L’excitation d’énergie minimale correspond à une énergie inférieure à 2D,  qui est l’énergie minimale pour casser une paire dans un supraconducteur homogène (1,2). Le cas le plus simple est celui d’un lien faible très court, qu’on obtient dans nos expériences en fabriquant un contact à un atome entre deux électrodes supraconductrices formant une boucle (Fig. 1). La différence de phase entre les supraconducteurs de part et d’autre du contact est contrôlée en  appliquant un flux magnétique dans la boucle. Le nombre maximum d’états d’Andreev dépend uniquement du nombre de canaux de conduction, qu’on arrive à réduire à essentiellement un seul dans un contact à un atome. En excitant avec un photon microonde l’état d’Andreev depuis son état fondamental |g> (ground state), on accède à un autre état localisé |e> (excited state).

En information quantique, il est essentiel de connaître complètement l’état quantique de l’objet (photon, électron ou spin) qui porte l’information. Ceci est possible par une procédure, appelée tomographie, qui consiste à mesurer la fonction d’onde par tranches successives. La tomographie est une procédure aujourd'hui bien connue pour un photon. Elle consiste à mélanger celui-ci avec le faisceau intense d'un laser (i.e. un champ intense de photons) et à observer les interférences qui en résultent. Cette méthode ne peut s'appliquer à un fermion, car il n'existe pas l'équivalent du champ intense de photons (l’amplitude d’un champ quantique de fermion est limitée, chaque état accessible étant occupé au plus par un seul fermion). La tomographie d’un électron unique itinérant dans un conducteur demande ainsi le développement d'une méthode originale.

Les chercheurs du SPEC au CEA Saclay, en collaboration avec le LPN CNRS pour les échantillons fournis, ont réussi à atteindre la sensibilité de mesure ultime permettant la première tomographie d’un électron [1]. Pour tester cette mesure, les électrons à tomographier ont été générés sous forme de "lévitons" [2] dont la fonction d’onde bien comprise a pu être comparée aux mesures de bruit en courant révélant l’interférence de lévitons avec un champ de fermion obtenu par un petit courant électronique alternatif appliqué au conducteur. Ces résultats ouvrent la voie à la caractérisation d’états quantiques plus complexes et sont une avancée importante pour des "qubits volants", support d'information quantique, portés par des électrons dans des conducteurs quantiques.

 

Si le transport électrique usuel nous est familier (tension, courant, résistance électrique, …), les phénomènes de transport de charge dans un conducteur quantique suivent des lois probabilistes bien différentes. A très basse température, cet aspect probabiliste et le caractère individuel des charges conduit à l'apparition d'un bruit spécifique, appelé "bruit de grenaille". Le passage  des charges "une par une" peut conduire à des excitations électroniques, mais aussi, par effet d'antenne, à des excitations du champ électromagnétique externe au conducteur. Cette excitation du champ agit à son tour par rétroaction sur le transport électronique. D’un point de vue formel, cette rétroaction apparaît comme la conséquence des fluctuations quantiques de la  tension aux bornes de la jonction.

La compréhension de ce couplage matière-rayonnement dans les circuits électriques est une étape cruciale pour l’élaboration de dispositifs exploitant le caractère quantique du transport électronique. Les groupes "Nanoélectronique" et "Quantronique" du SPEC, en collaboration avec le Laboratoire de Physique du Solide de l'Univ. Paris-Sud, ont franchi une étape importante dans cette direction en établissant de façon théorique et expérimentale l’effet de l’environnement électromagnétique sur la dynamique du transfert de charge dans une jonction tunnel.

La capture et le traitement de l'information sont aujourd'hui essentiellement portés par des dispositifs basés sur le transport électrique (i.e. transport de charge, porté par les électrons ou les trous d'électrons) et l'ordre magnétique. Le transport thermique pourrait être aussi efficace pour réaliser des capteurs, voire des circuits performants.

Pour ceci, l'ensemble des couplages entre gradients (de potentiel et/ou de température) et transport électrique et/ou thermique, et en présence d'une aimantation, doivent être complètement explorés. Par une étude complète dans les isolants et les conducteurs des phénomènes de transport thermique, une équipe du LSI a identifié des effets nouveaux et forts, analogue à un "effet Hall thermique anisotrope", qui ont pu être modélisés par l'écriture d'une nouvelle équation complète, incluant les effets liés à l'aimantation du matériau. Ces effets peuvent être la source potentielle d'applications innovantes dans la réalisation de capteurs originaux et le traitement de l'information.

 

Le futur ordinateur quantique aura besoin d’une mémoire quantique capable de stocker l’état de centaines de bits quantiques, possiblement intriqués, sur des temps très longs. Nous cherchons à réaliser ce nouveau type de dispositif quantique en utilisant un large ensemble de centres NV dans le diamant (NV pour Nitrogen-Vacancy : impuretés, constituées par un atome d’azote et une lacune d'azote dans le réseau cristallin du diamant). Ces centres possèdent un spin dont le temps de cohérence peut atteindre une seconde, ce qui en fait un milieu de stockage idéal de l’information quantique. Pour bénéficier de ces longs temps de cohérence, il est impératif d’intégrer des séquences d’écho de spins dans les protocoles de mémoire quantique, ce qui est particulièrement difficile expérimentalement.

Notre expérience récente [1] est la première à montrer que que cet objectif peut être atteint, avec l'observation d'échos de spins sur un ensemble de centres NV à des températures cryogéniques, avec des impulsions micro-ondes d’ultra-faible puissance (jusqu’à 100 femtoWatts) et la réinitialisation des centres NV par pompage optique. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d’une mémoire quantique opérationnelle à base d’ensemble de spins pour les qubits supraconducteurs.

 

Depuis plus de 10 ans, le groupe Quantronique au SPEC est engagé dans un programme de recherche visant à réaliser un nouveau type de calculateur fonctionnant selon les règles de la mécanique quantique : un « ordinateur quantique ». Dans ce nouveau type de machine, l’information n’est plus portée par des « bits » pouvant prendre deux états différents (0 ou 1), mais par des « bits quantiques » ou qubits, dont l’état quantique s’écrit comme une superposition de deux états de base, les états |0> et |1>. Comme la mécanique quantique autorise n’importe quelle superposition d’états à plusieurs qubits, un ordinateur quantique bénéficie d’un parallélisme massif qui le rend plus efficace dans certaines tâches qu’un ordinateur classique équivalent. Le groupe Quantronique a par exemple mis en oeuvre récemment un algorithme élémentaire plus efficace que n’importe quel algorithme classique équivalent, en utilisant un processeur quantique élémentaire à 2 qubits supraconducteurs à base de jonctions Josephson [1].

Les méthodes de nanostructuration de surface sont à la source de nombreux progrès en nanotechnologies. Une collaboration rassemblant des équipes française, italienne et une société franco-américaine [1] ont mis en évidence l’ouverture de nanotunnels sous la surface d’un semi-conducteur, le carbure de silicium (SiC). Ce phénomène, induit par l'interaction d'atomes d'hydrogène/deutérium (H/D) à la surface du SiC est particulièrement intéressant, du fait des propriétés intrinsèques de ce semi-conducteur. Il est aussi remarquable qu'en fonction de l'exposition à l’H/D, les nanotunnels suivent une séquence de transitions semi-conducteur/métal/semi-conducteur. Ces résultats ont été obtenus par des expériences de pointe (étude par rayonnement synchrotron, techniques de spectroscopies vibrationnelles) conjointement  à des simulations théoriques. 

Ce type de nanostructure à la surface du SiC, ainsi mis en évidence, peut ouvrir la voie à de nombreuses applications en électronique, chimie, stockage, ou pour des capteurs et en biotechnologie.

Les progrès en nano-électronique quantique permettent d'observer dans un conducteur les interférences entre électrons, comme le font des photons en optique, ou encore de mesurer leur bruit quantique (ou bruit Schottky, l’analogue pour des électrons du bruit de photon , lié à la nature discrète des particules).

Pour compléter cette optique quantique électronique, il manquait une source d’électrons à la demande, simple et fiable. La difficulté résidait dans le fait que, contrairement aux photons qui se meuvent dans le vide, un conducteur contient déjà des charges qui ne demandent qu’à s’agiter lors de l’injection d’un électron.

Suivant une proposition datant de presque vingt ans de L. Levitov, théoricien au MIT, les chercheurs du SPEC ont réussi à injecter un nombre entier d’électron dans le conducteur sans le perturber en appliquant des impulsions de tension de forme Lorentzienne. Celles-ci génèrent une excitation fondamentale présentant une parenté avec les solitons, qu’ils ont appelé "Léviton". Cette première, à paraître dans la revue Nature, ouvre des perspectives en physique quantique dépassant le champ de la nano-électronique : en effet, des Lévitons atomiques pourraient être pareillement réalisés avec des atomes froids (gaz de fermions).  

 


 

L’effet Josephson décrit le flot de supercourant à travers un lien faible entre deux supraconducteurs, comme une jonction tunnel, un nanofil ou une molécule. Il est à la base d’une grande quantité de dispositifs (magnétomètres - SQUIDs, convertisseurs fréquence-tension de très haute précision, détecteurs de photons large bande) avec des applications allant de la médecine, à l’information quantique ou encore l'astronomie.

Microscopiquement, le supercourant est porté par des états de paires de Cooper localisées au lien faible. Ces états, appelés états d’Andreev, viennent par doublets, et ont des énergies inférieures au gap supraconducteur. Les circuits Josephson existants sont basés sur les propriétés des états fondamentaux de chaque doublet et, jusqu’à maintenant, les états de paires excitées n’avaient jamais été directement détectés. Nos expériences établissent leur existence par des mesures spectroscopiques de contacts atomiques supraconducteurs [1].

 

Le spectre d’énergie d’un supraconducteur massif isolé présente un gap 2Δ autour de l’énergie de Fermi. Ce gap représente l’énergie minimale pour exciter une paire de Cooper. À un lien faible entre deux supraconducteurs, où la phase supraconductrice peut facilement être tordue, le spectre est localement modifié, avec notamment l’apparition de doublets d’états dans le gap. Ces états, appelés états d’Andreev, ont des énergies ±EA qui dépendent de la différence de phase δ entre les électrodes et de la probabilité de transmission des électrons (voir Figure 1). Comme l’énergie des états d’Andreev est inférieure au gap Δ, ils ne peuvent pas se propager dans les supraconducteurs massifs et restent ainsi localisés au lien faible. L’état d’énergie -EA correspond donc à une paire de Cooper localisée dans son état fondamental ; l’excitation de plus faible énergie est une excitation de cette paire de Cooper vers l’état d’énergie +EA.

Tout objet dans un état de superstition d'états quantiques mais non isolé, perd sa cohérence (décohérence quantique) et seuls les états observables macroscopiquement sont finalement observables.

Des chercheurs du SPEC ont réussi pour la première fois à contrôler la cohérence quantique des électrons d'un conducteur (quasi-particules) en présence d'un champ magnétique intense (8 Teslas, i.e. en régime d'effet Hall quantique entier). Les longueurs de cohérence quantique ont pu être augmentées d'un facteur deux en modifiant le couplage du conducteur quantique avec son environnement, grâce à des grilles de polarisation judicieusement placées.

Le contraste des franges d'interférences en sortie d'un interféromètre électronique est un bon reflet de cette cohérence. Cette expérience a ainsi permis de comprendre la dépendance de la visibilité des interférences quantiques en fonction de l'énergie des électrons injectés.


Une des questions au coeur de la physique fondamentale des conducteurs quantiques est de déterminer à quel point les quasi-particules d'un conducteur se comportent comme des particules libres sans interaction. Un outil très utile à la compréhension de l'interaction d'une quasi-particule avec son environnement est de déterminer sa longueur de cohérence, c'est à dire la distance sur laquelle une quasi-particule perd sa cohérence quantique, reflet de ses propriétés ondulatoires.

Une nouvelle voie de recherche est proposée pour réaliser des processeurs d’information quantique. Cette voie dite hybride combine des bits quantiques de type circuit électrique avec des systèmes quantiques microscopiques comme des ensembles de spins, afin de bénéficier des avantages respectifs de chacun. Le groupe quantronique vient de faire la démonstration d'un transfert d’information quantique entre un bit quantique supraconducteur et une mémoire quantique  faite d'un ensemble de spins, portés par des centres colorés dans le diamant.


Le calcul quantique a connu un regain d’intérêt dans les années 1990 lors de la découverte d’algorithmes quantiques capables d'effectuer très efficacement certaines tâches, comme par exemple le décryptage du code cryptographique utilisé pour la protection des transactions bancaires en ligne. Depuis, de nombreuses équipes cherchent des dispositifs capables de mettre en oeuvre ces algorithmes quantiques. Deux classes de systèmes bien distincts sont à l’étude depuis de nombreuses années :

  • les objets microscopiques, naturellement quantiques, tels que les atomes ou les spins de particules, qui ont l'avantage de présenter des temps de cohérence longs, mais qui restent difficiles à manipuler
     
  • les "qubits" macroscopiques, comme les circuits électriques supraconducteurs, bien plus commodes à manipuler, mais dans lesquels l’information quantique n’est conservée qu’un temps limité.
Eva Zakka-Bajjani, J. Dufouleur, N. Coulombel, P. Roche, D. C. Glattli, and F. Portier

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Contact: Dr. Fabien PORTIER

A conductor in equilibrium under a bias voltage shows current fluctuations proportional to its resistance and temperature. This type of noise is known as the Johnson-Nyquist noise, or equivalently, the thermal noise. In a quantum conductor, current fluctuations generate microwave photons which obey chaotic statistics (cf., blackbody radiation) if the conductor is at equilibrium. When the conductor is out-of-equilibrium; however, the stochastic aspect of the electron transport gives rise to different kinds of current fluctuations (quantum shot noise) that muddle the photon statistics. Understanding the link between the statistics of electrons and that of emitted photons is very intriguing as it will reveal the connection between quantum conductors and quantum optics. This problem has recently attracted theoretical interest, and a full spectrum of photon statistics, ranging from chaotic to non-classical, has been predicted [1]. 

Recently, the Nanoelectronics group at SPEC has performed the first experiments to put theories on test by measuring the statistics of microwave photons radiated by a simplest quantum conductor; a tunnel junction, in the shot-noise regime.

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Les expériences de violation d'une inégalité de Bell avec deux objets séparés dans l'espace sont considérées comme la meilleure preuve de la nature intrinsèquement quantique du monde : les états des deux objets peuvent être si intimement liés (les physiciens disent "intriqués") que parler de l'état de chacun d'eux n'a plus de sens, même lorsqu'ils sont très éloignés l'un de l'autre.

Yuri Mukharsky, Andrei Penzev et Eric Varoquaux, Groupe de Nanoélectronique

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Si l'existence en était avérée, un "super-solide" serait un état de la matière combinant la rigidité d'un solide et les propriétés d'un superfluide. Ce serait un état inédit de la matière. Toutefois, des incertitudes subsistent sur la mise en évidence d'un tel état et sur la manière dont il pourrait se former. Dans un article à Physical Review B, 80 (2009) 140504(R) ) des chercheurs du SPEC ont mesuré les propriétés élastiques de l'hélium-4 solide par des techniques acoustiques basse fréquence ultra-sensibles. Leurs résultats permettent de franchir une étape dans la compréhension de l'apparition de la supersolidité. Leur travail a été distingué par les éditeurs de Physical Review B de l'American Physical Society avec l'attribution du label "Editor's Suggestions".

Du point de vue expérimental, la << supersolidité >> se manifeste quand partie d'un échantillon d'hélium-4 solide contenu dans la masselote d'un oscillateur de torsion se découple mécaniquement des parois de l'appareil. Ce phénomène, supposé quantique mais pour le moment inexpliqué, apparaît au-dessous de 0.2 Kelvin et semble lié à la présence de défauts cristallins, très probablement des lignes de dislocation. << Quel genre de lignes de dislocation >> est la question abordée ici par la mesure de la relation contrainte-déformation d'échantillons d'hélium solide fortement déformés.

Comme les cristaux d'hélium sont fragiles et endommagés même par de très faibles contraintes, les chercheurs du SPEC ont utilisé un capteur acoustique extrêmement sensible utilisant une jauge de déplacement supraconductrice pour mesurer les déformations sans introduire de défauts supplémentaires. La résolution en déplacement se trouve dans la zone des femtomètres.  Moyennant ces précautions ils ont pu contourner les effets rhéologiques non associés à la formation de la phase supersolide.

La plupart des échantillons ont montré une augmentation très notable de rigidité à basse température, au-dessus de 0.15 Kelvin, tendance déjà notée par d'autres (J. Day et al. cond-mat:0903.1269), mais avec une ampleur encore plus importante. La figure illustre le déplacement en fréquence de la résonance fondamentale de l'hélium solide dans la cavité acoustique en fonction de la température. Cette variation de fréquence traduit le mouvement interne des lignes de dislocation dans la matrice cristalline. Elle montre que la constante de Poisson* varie de manière considérable entre le zéro absolu et 1 Kelvin. Au fur et à mesure que la température s'élève, les lignes de dislocation se << dégèlent >> et se mettre à suivre les déformations associées au champ acoustique. Cette réponse des dislocations a une influence profonde sur l'élasticité de l'hélium-4 solide entre 0,2 et 1 K. L'ampleur du phénomène révèle un réseau de lignes de dislocation anormalement dense et tortueux. Ces observations impliquent également que les mouvements des dislocations ne sont pas bloqués dans les vallées de Peierls, suggérant des dislocations rugueuses à l'échelle atomique. Ces résultats ont tout lieu d'intriguer, mais leur lien avec un hypothétique état supersolide doit encore être élucidé.


* un des paramètres qui caractérisent les propriétés élastiques de la substance.

Référence :

Low-frequency acoustics in solid 4He at low temperature
Yu. Mukharsky, A. Penzev, and E. Varoquaux
Phys. Rev. B, 80 (2009), 140504(R)

F. Mallet, F. Ong, A. Palacios, F. Nguyen, P. Bertet, Denis Vion and D. Esteve

 

Après la réalisation d'un des tous premiers qubits (état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique) en 2002, les chercheurs du groupe quantronique de l'IRAMIS-SPEC ont franchi un nouveau pas vers  la réalisation d'un processeur quantique simple : la lecture fiable et non destructive d'un qubit.

(french version English version)

On pensait bien connaitre la physique des transistors, et en particulier celle de ceux qui peuplent par millions le cœur de nos ordinateurs, les MOSFETs au Silicium (Metal Oxyde Semi-conducteur Field Effect Transistor). Or, dès 1994 une nouvelle génération de MOSFETs à très haute mobilité a permis de réaliser des expériences où la densité électronique était extrêmement basse (Kravchenko et al 1994). Les expériences menées dans ces « transistors extrêmes » ont montré un comportement tout à fait spectaculaire : à basse température ils se comportent comme des métaux au lieu de l’isolant attendu. (Au lieu de diverger, la résistivité décroit d’un ordre de grandeur dans une fenêtre de température assez étroite).

Pas de métaux  à 2 dimensions.

Pour comprendre l’émoi que ces résultats expérimentaux ont suscité dans la communauté, il faut remonter au célèbre article sur la localisation  pour lequel P.W. Anderson a obtenu son prix Nobel en 1977 (voir article : Anderson 1958). Anderson y étudie l’effet d’un faible désordre dans les métaux et conclut qu’à très basse température (i.e. pour un système  quantiquement cohérent) les interférences multiples générées par ce désordre provoquaient une localisation des fonctions d’onde du métal, le rendant ainsi isolant. L’effet est particulièrement fort à une et deux dimensions (comme dans nos MOSFETs) où il était prédit qu’un petit désordre, même arbitrairement faible, suffisait à rendre le système isolant. Pendant deux décennies, la communauté a vérifié à la fois expérimentalement et théoriquement ce paradigme : pas de métaux à deux dimensions. En particulier le SPEC, à travers notamment les travaux de M. Sanquer et de J-L Pichard, a fortement contribué à l’étude de la localisation.

Le suspect idéal, les corrélations électroniques.  Les expériences de Kravchenko, reproduites ensuite dans divers groupes expérimentaux (au SPEC également, dans le groupe de D. L’Hôte) ont ainsi été à l’origine d’une petite révolution dans la communauté du transport quantique. Les modèles et mécanismes affluèrent de toutes parts pour tenter de résoudre le fâcheux différent entre la théorie et les mesures expérimentales qui persistaient à montrer un comportement métallique. Les uns cherchaient des artefacts expérimentaux tandis que les autres proposaient des modèles plus ou moins farfelus ou ad hoc. Sur un seul point un consensus émergeait : à très basse densité, les corrélations électron-électron introduites par la répulsion Coulombienne prennent une importance considérable. Or ces corrélations résistent à la plupart des approches théoriques.

Localisation et Corrélations.

Dans le cadre de la thèse de Geneviève Fleury, nous avons développé une approche numérique, alliant Monte-Carlo quantique pour traiter le problème quantique à N corps et théorie d’échelle pour extraire la limite thermodynamique. Cette approche nous a permis, pour la première fois, d’étudier le problème couplé de la localisation d’Anderson en présence de corrélations fortes. Le diagramme de phase obtenu  (voir figure) montre bien la « phase »métallique dans la région expérimentale où elle a été observée, et ce, ab initio (i.e. sans paramètre ajustable). Le scénario qui se dégage de nos calculs est en demi-teinte : d’un coté les corrélations sont bien à l’origine des observations expérimentales – une physique nouvelle émerge des corrélations. De l’autre le système reste un isolant au sens thermodynamique du terme. Autrement dit,  nous prédisons qu’à plus basse température la résistivité doit diverger en accord avec le paradigme d’Anderson.

H. le Sueur, P. Joyez, H. Pothier, C. Urbina, and D. Esteve

Les éditeurs de la revue "Physical Review Letters" ont récemment  attribué le label "Editor's suggestion" à un article du groupe  Quantronique du SPEC (Service de Physique de l'Etat Condensé): Phase Controlled Superconducting Proximity Effect Probed by Tunneling Spectroscopy, Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 197002".  Par ce label les éditeurs souhaitent mettre en avant un petit nombre  d'articles qu'ils considèrent comme particulièrement clairs et  susceptibles d'intéresser des lecteurs en dehors de leur spécialité.

Cet article permet de donner pour la première fois une vue élégante, claire et complète de  "l'effet de proximité supraconducteur". Cet effet se produit aux  interfaces entre métaux supraconducteur (S) et métaux résistifs  "normaux" (N), où la supraconductivité peut "contaminer" localement  le métal normal et le rendre non résistif.

 

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