Une équipe de physiciens de l’Université de Birmingham et de l’Université de Bath a identifié une méthode permettant de visualiser, sur un millionième de milliardième de seconde, le comportement quantique initial des électrons sur une surface.
Le microscope à effet tunnel à balayage utilisé pour injecter des électrons dans une surface de silicium. Crédit photo : Michelle Tennison.
Les scientifiques ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM) pour injecter des électrons dans une surface de silicium, décorée avec des molécules de toluène.
En se propageant sur la surface à partir de la pointe, les électrons ont fait réagir les molécules de toluène et les ont fait décoller de la surface.
En mesurant les positions atomiques précises à partir desquelles les molécules se sont déplacées, ils ont identifié que les électrons conservent leurs trajectoires initiales, ou état quantique, à travers la surface pendant les 7 premiers nm de voyage, avant d’être perturbés et de subir une dispersion aléatoire comme la balle dans une machine à flipper. Il s’agit en fait du passage d’un système quantique à un système classique.
Les résultats de l’équipe, publiés dans le journal Nature CommunicationsLes résultats de l’équipe, publiés dans la revueNature Communicationsconstituent une étape prometteuse vers la manipulation et le contrôle du comportement quantique des électrons de haute énergie, ce qui est important pour les futures cellules solaires à haut rendement et les systèmes d’ingénierie atomique, y compris les dispositifs d’informatique quantique proposés.
“Les électrons de haute énergie sont notoirement difficiles à observer en raison de leur courte durée de vie, environ un millionième de milliardième de seconde”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Peter Sloan, du département de physique de l’université de Bath.
“Cette technique de visualisation nous permet d’atteindre un nouveau niveau de compréhension. Nous avons été surpris de constater que les trajectoires quantiques initiales restent intactes suffisamment longtemps pour qu’un seul électron puisse se ‘déployer’ sur un disque de 15 nm de diamètre.”
“La physique quantique dicte que les électrons se comportent comme des ondes”, a déclaré le Dr Sloan.
“De même qu’un caillou lâché dans un étang calme forme des anneaux concentriques qui se propagent, ainsi, pendant les 7 nm initiaux, l’électron à haute énergie fait de même.”
“L’électron commence comme un objet minuscule de moins d’un nanomètre de diamètre juste après que nous l’ayons injecté dans la surface, puis il se propage calmement vers l’extérieur, devenant de plus en plus grand, au moment où il est perturbé (perdant sa nature quantique vierge) il a atteint la taille d’une série d’anneaux de 15 nm de diamètre. Cela peut sembler petit, mais à l’échelle des atomes et des molécules, c’est vraiment une taille énorme.”
“Ces résultats sont, de manière cruciale, entrepris à température ambiante”, a déclaré le co-auteur, le professeur Richard Palmer, du laboratoire de recherche en physique à l’échelle nanométrique de l’Université de Birmingham.
“Ils montrent que le comportement quantique des électrons qui est facilement accessible à une température proche du zéro absolu (moins 273 degrés Celsius, ou moins 459 degrés Fahrenheit) persiste dans les conditions plus clémentes de la température ambiante et sur une grande échelle de 15 nm.”
“Ces résultats suggèrent que les futurs dispositifs quantiques à l’échelle atomique pourraient fonctionner sans avoir besoin d’un réservoir de liquide de refroidissement à l’hélium.”
Maintenant que les physiciens ont développé la méthode de visualisation du transport quantique, l’objectif est de comprendre comment contrôler et manipuler la fonction d’onde de l’électron. Cela pourrait se faire en injectant des électrons à travers un amas d’atomes métalliques, ou en manipulant les surfaces elles-mêmes pour exploiter les effets quantiques des électrons.
“Les implications de la manipulation du comportement des électrons de haute énergie sont considérables, qu’il s’agisse d’améliorer l’efficacité de l’énergie solaire ou de mieux cibler la radiothérapie pour le traitement du cancer”, a déclaré le professeur Palmer.
