Revelant el paper de les interaccions de Coulomb en les col·lisions d'electrons d'alta energia

Un grup de tres equips de recerca, en el qual ha participat l'investigador de l’IFISC (UIB-CSIC) Sungguen Ryu, ha realitzat experiments pioners que demostren que els electrons d'alta energia es repel·leixen en col·lidir en un divisor de feix degut a fortes interaccions de Coulomb. Aquests resultats mostren clarament la importància de la interacció de Coulomb quan es manipulen poques excitacions d'electrons, a diferència del que ocorre amb els fotons. 

Els experiments, publicats en la revista Nature nanotechnology, s'emmarquen en el camp de l'òptica quàntica electrònica i se centren en el transport quàntic d'alta freqüència. Utilitzant polsos ràpids de tensió en el rang dels gigahercis, els investigadors poden emetre electrons individuals en circuits elèctrics a nanoescala i manipular-los mitjançant components electrònics similars als elements òptics. 

Aquestes excitacions d'electrons permeten una analogia electrònica de l'experiment de Hong-Ou-Mandel. En la versió original dels fotons (vegeu la Fig. a), aquests tendeixen a agrupar-se a causa de la seva naturalesa bosònica. En l'equivalent electrònic (veure Fig. b), els electrons es comporten com a fermions. Si el parell d'electrons en col·lisió fossin excitacions de baixa energia prop de la mar de Fermi, la interacció de Coulomb apantallada és menyspreable i el parell es dividiria en diferents camins a causa del principi d'exclusió de Pauli. No obstant això, si l'efecte de la interacció de Coulomb és present, el destí del parell d'electrons en col·lisió es complica. 

En experiments separats, els equips de recerca van emprar diferents configuracions, però tots van arribar a la mateixa conclusió. Quan s'emeten electrons d'alta energia per sobre de la mar de Fermi en un conductor elèctric i arriben simultàniament a cada costat d'un divisor de feixos d'electrons, es repel·leixen entre sí que a causa de les fortes interaccions de Coulomb, no pel principi d'exclusió de Pauli. Els experiments van consistir a utilitzar bombes d'un sol electró per a emetre càrregues en una estructura semiconductora que contenia un gas d'electrons bidimensional. En presència d'un fort camp magnètic, es van formar estats quirals al llarg dels límits de la mostra, que van actuar com a vies per als electrons emesos. Els electrons van ser guiats a una regió central, on van col·lidir a banda i banda d'un divisor de feixos d'electrons. 

Aquests tres experiments demostren col·lectivament que les interaccions de Coulomb exerceixen un paper dominant en l'efecte antibunching observat quan els electrons d'alta energia col·lideixen en un divisor de feix. Aquest descobriment té importants implicacions per al processament d'informació quàntica amb qubits electrònics, ja que les interaccions controlades són vitals per a la generació d'entrellaçament. A diferència dels qubits fotònics, que solen presentar una interacció feble o nul·la, els qubits electrònics poden entrellaçar-se mitjançant les forces de Coulomb revelades en aquests experiments. Això obre possibilitats per a arquitectures de dispositius en els quals els graus de llibertat orbitals o d'espín dels qubits electrònics s'entrellacen mitjançant interaccions de coulomb controlades. 

Els avanços experimentals representen un pas crucial en la manipulació d'electrons individuals en conductors a nanoescala, permetent als investigadors entrar en el règim no lineal de l'òptica quàntica electrònica. Si bé encara queden reptes per superar, aquests tres experiments ofereixen raons per a ser optimistes respecte a nous avanços en el camp de l'òptica quàntica electrònica en el futur.

Figura. Col·lisió de tipus Hong-Ou-Mandel de fotons (a) i electrons (b).Extret de Brange, F., Flindt, C. Electrons en interacció col·lideixen en un divisor de feix. Nat. Nanotechnol. (2023).

Brange, F., Flindt, C. Interacting electrons collide at a beam splitter. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01389-0 

Fletcher, J.D., Park, W., Ryu, S. et al. Time-resolved Coulomb collision of single electrons. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01369-4