Une équipe de scientifiques dirigée par le Dr Jason Petta de l’Université de Princeton a construit un laser à micro-ondes de la taille d’un grain de riz, ou maser, alimenté par des électrons uniques passant par des points quantiques – des morceaux de matériau semi-conducteur qui agissent comme des atomes uniques.
Ce micromasseur est un pas important vers la construction de systèmes d’informatique quantique à partir de matériaux semi-conducteurs ; une batterie force les électrons à traverser un par un deux points quantiques doubles situés à chaque extrémité d’une cavité, passant d’un niveau d’énergie supérieur à un niveau d’énergie inférieur et émettant des micro-ondes qui forment un faisceau de lumière cohérent. Crédit image : Jason Petta.
“C’est en fait aussi petit que ce que l’on peut faire avec ces dispositifs à électron unique”, a déclaré le Dr Petta.
Le dispositif, décrit dans le journal Scienceutilise environ un milliardième du courant électrique nécessaire pour alimenter un sèche-cheveux.
Il représente une avancée majeure dans les efforts visant à construire des systèmes d’informatique quantique à partir de matériaux semi-conducteurs.
“Je considère qu’il s’agit d’un résultat très important pour notre objectif à long terme, qui est l’intrication entre les bits quantiques dans les dispositifs à base de semi-conducteurs”, a déclaré le co-auteur, le Dr Jacob Taylor, du Joint Quantum Institute, de l’Université du Maryland-National Institute of Standards and Technology.
L’objectif initial n’était pas de construire un maser, mais d’explorer comment utiliser des points quantiques doubles – qui sont deux points quantiques joints ensemble – comme des bits quantiques, ou qubits, les unités de base de l’information dans les ordinateurs quantiques.
“L’objectif était de faire communiquer les points quantiques doubles entre eux”, a déclaré l’auteur principal, Yinyu Liu, de l’université de Princeton.
Comme les points quantiques peuvent communiquer par l’enchevêtrement des photons, l’équipe a conçu des points qui émettent des photons lorsque des électrons simples sautent d’un niveau d’énergie supérieur à un niveau d’énergie inférieur pour traverser le double point.
Chaque double point quantique ne peut transférer qu’un seul électron à la fois.
“C’est comme une file de personnes traversant un large cours d’eau en sautant sur un rocher si petit qu’il ne peut contenir qu’une seule personne. Ils sont obligés de traverser le cours d’eau un par un. Ces points quantiques doubles sont de dimension zéro en ce qui concerne les électrons – ils sont piégés dans les trois dimensions spatiales”, a déclaré le Dr Petta.
Les scientifiques ont fabriqué les points quantiques doubles à partir de nanofils extrêmement fins (environ 50 nanomètres) composés d’un matériau semi-conducteur appelé arséniure d’indium. Ils ont disposé les fils d’arséniure d’indium sur d’autres fils métalliques encore plus petits qui servent d’électrodes de grille et contrôlent les niveaux d’énergie des points.
Pour construire le maser, ils ont placé les deux points doubles à environ 6 mm l’un de l’autre dans une cavité faite d’un matériau supraconducteur, le niobium, qui nécessite une température proche du zéro absolu, environ moins 273 degrés Celsius.
Lorsque le dispositif a été mis en marche, des électrons ont circulé en file indienne à travers chaque double point quantique, ce qui a provoqué l’émission de photons dans la région des micro-ondes du spectre.
Ces photons ont ensuite rebondi sur des miroirs à chaque extrémité de la cavité pour former un faisceau cohérent de lumière micro-ondes.
L’un des avantages de ce nouveau dispositif est que les niveaux d’énergie à l’intérieur des points peuvent être réglés avec précision pour produire de la lumière à d’autres fréquences, ce qui n’est pas possible avec les autres lasers à semi-conducteurs dans lesquels la fréquence est fixée pendant la fabrication. Plus la différence d’énergie entre les deux niveaux est grande, plus la fréquence de la lumière émise est élevée.
