En forskargrupp ledd av professorer från institutionen för fysik och astronomi har skapat en serpentinbana för elektroner, genomsyra dem med nya egenskaper som kan vara användbara i framtida kvantenheter.

Jeremy Levy, en framstående professor i kondenserad materiens fysik, och Patrick Irvin, forskningsprofessor, är medförfattare till artikeln "Engineered spin-orbit interactions in LaAlO ₃ /SrTiO ₃ -baserade 1D serpentinelektronvågledare, " publicerad i Vetenskapens framsteg den 25 november.

"Vi vet redan hur man skjuter elektroner ballistiskt genom endimensionella nanotrådar gjorda av dessa oxidmaterial, " förklarar Levy. "Det som är annorlunda här är att vi har förändrat miljön för elektronerna, tvingar dem att väva vänster och höger när de reser. Denna rörelse förändrar elektronernas egenskaper, ger upphov till nytt beteende."

Arbetet leds av en ny doktor. mottagare, Dr. Megan Briggeman, vars avhandling ägnades åt utvecklingen av en plattform för "kvantsimulering" i en dimension. Briggeman är också huvudförfattare till ett relaterat verk som publicerades tidigare i år i Vetenskap , där en ny familj av elektroniska faser upptäcktes där elektroner färdas i paket om 2, 3, och mer åt gången.

Elektroner beter sig väldigt olika när de tvingas existera längs en rät linje (d.v.s. i en dimension). Det är känt, till exempel, att elektronernas spinn och laddningskomponenter kan delas isär och färdas med olika hastigheter genom en 1D-tråd. Dessa bisarra effekter är fascinerande och också viktiga för utvecklingen av avancerad kvantteknologi som kvantdatorer. Rörelse längs en rak linje är bara en av en mängd möjligheter som kan skapas med denna kvantsimuleringsmetod. Den här publikationen utforskar konsekvenserna av att få elektroner att väva sida till sida medan de rusar neråt och annars är linjära.

Ett färskt förslag för topologiskt skyddad kvantberäkning drar fördel av så kallade "Majorana-fermioner", partiklar som kan finnas i 1D kvanttrådar när vissa ingredienser är närvarande. LaAlO ₃ /SrTiO ₃ systemet, det visar sig, har de flesta men inte alla nödvändiga interaktioner. Saknas är en tillräckligt stark "spin-omloppsinteraktion" som kan producera förutsättningarna för Majorana-fermioner. En av de viktigaste resultaten av detta senaste arbete från Levy är att spin-omloppsinteraktioner faktiskt kan konstrueras genom den serpentinrörelse som elektroner tvingas utföra.

Förutom att identifiera nya konstruerade spin-omloppskopplingar, den periodiska upprepningen av serpentinbanan skapar nya sätt för elektroner att interagera med varandra. Det experimentella resultatet av detta är förekomsten av fraktionerad konduktans som avviker från de förväntade för enstaka elektroner.

Dessa slalombanor skapas med en skissteknik i nanoskala som är analog med en Etch A Sketch-leksak, men med en punktstorlek som är en biljon gånger mindre i yta. Dessa vägar kan skissas och raderas om och om igen, varje gång skapa en ny typ av väg för elektroner att korsa. Detta tillvägagångssätt kan ses som ett sätt att skapa kvantmaterial med omprogrammerbara egenskaper. Materialforskare syntetiserar material på ett liknande sätt, rita atomer från det periodiska systemet och tvinga dem att ordnas i periodiska arrayer. Här är gittret artificiellt - en sicksack av rörelsen äger rum i en tio nanometer av rymden snarare än en sub-nanometer atomavstånd.

Avgift, som också är chef för Pittsburgh Quantum Institute, uppgav att detta arbete bidrar till ett av huvudmålen för den andra kvantrevolutionen, som är att utforska, förstå, och utnyttja kvantmateriens fulla natur. En förbättrad förståelse, och förmågan att simulera beteendet hos ett brett spektrum av kvantmaterial, kommer att få omfattande konsekvenser. "Denna forskning faller inom en större ansträngning här i Pittsburgh för att utveckla ny vetenskap och teknik relaterade till den andra kvantrevolutionen, " han sa.