Francis en @TrendingCiencia: El levitón que transporta un electrón individual en un conductor

Dibujo20131103 light microscopy histological analysis controls and 3d bioactive models

Puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido un artículo aparecido en la revista Nature el pasado 31 de octubre titulado “Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons” (“estados de excitación mínima para la óptica cuántica de electrones usando levitones”) cuyo autor principal es Christian Glattli, del Grupo de Nanoelectrónica del IRAMIS, en el centro CEA de Saclay, Francia, centro que pertenece al CNRS Francés, y la primera autora es Julie Dubois. El artículo presenta la observación experimental de un nuevo tipo de onda solitaria o solitón bautizada como “levitón”. Los levitones son cuasipartículas formados por un número entero de electrones y se pueden usar para transportar electrones individuales a través de un conductor, es decir, actúan como fuentes de electrones individuales bajo demanda, lo que les hace tener múltiples aplicaciones en nanoelectrónica cuántica.

Por cierto, en el título del artículo técnico se habla de óptica cuántica de electrones, que también se traduce por óptica cuántica electrónica, quizás te preguntes qué es: se trata de usar técnicas con electrones en materiales conductores que están inspiradas en la óptica cuántica. Pero vayamos al grano, ¿qué son los levitones? Y lo más importante, ¿cómo han sido observados?

El nuevo artículo técnico es J. Dubois et al., “Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons,” Nature 502: 659–663, 31 Oct 2013. El podcast también está inspirado en Christian Flindt, “Quantum physics: Single electrons pop out of the Fermi sea,” News & Views, Nature 502: 630–632, 31 Oct 2013. Para los francófonos “Les lévitons : des électrons sans bruit pour l’optique quantique électronique,” IRAMIS, CEA Saclay, 29 Oct 2013.

Dibujo20131103 Levitons and the principle of their experimental detection - nature com

La nanoelectrónica cuántica permite observar la interferencia mutua entre los electrones de un conductor, igual que la óptica cuántica permite observar la interferencia entre los fotones. Esta interferencia cuántica, debida a la naturaleza discreta de los electrones, se presenta como un ruido cuántico de fondo, que en electrónica se llama ruido de Schottky (además, hay otra fuente de ruido, el ruido de origen térmico). Estas fuentes de ruido son un gran inconveniente cuando se quiere diseñar una fuente de electrones individuales para su uso en la nanoelectrónica cuántica.

Fabricar fuentes de fotones individuales es mucho más fácil, pues los fotones son bosones (siguen la estadística de Bose-Einstein) y además se pueden propagar por el vacío para minimizar el efecto del ruido cuántico, sin embargo, los electrones son fermiones (siguen la estadística de Fermi-Dirac) y durante su propagación en un conductor se encuentran con un “mar agitado” de pares electrón-hueco debidos al ruido de Schottky que afecta mucho a la propagación de cada electrón individual. La única solución es proteger de alguna forma a los electrones del ruido. Imagina que un electrón se pudiera colocar encima de una ola de electrones, como un surfista encima de una ola; mientras el surfista está encima de la ola está protegido de las olas del mar, incluso si la mar está picada; lo mismo le pasaría al electrón que estaría protegido del ruido de Schottky y se propagaría sin que dicho ruido le afectara. Parece imposible, pero recuerda que la física siempre ofrece sorpresas, como la vida misma.

En 1996, Leonid Levitov (ahora afincado en el MIT, el Instituto Técnico de Massachusetts, en Cambridge, EEUU) y dos colegas publicaron en la revista Journal of Mathematical Physics un artículo titulado “Electron counting statistics and coherent states of electric current” (“contaje estadístico de electrones y estados coherentes en corrientes eléctricas”), un artículo que proponía la formación de un cierto tipo de ondas cuánticas discretas gracias a la aplicación de cierto tipo de pulsos de voltaje, llamados pulsos de Lorentz; estas ondas fueron bautizadas en honor de Levitov con el nombre de “levitones”. Los levitones son ondas cuánticas están formadas por un número entero de electrones y se propagaban en el conductor como una onda solitaria (es decir, como un tsunami se propaga por la superficie del mar). El estado de mínima energía de un levitón propaga una unidad de carga, es decir, propaga un sólo electrón, cual surfista sobre una tabla de surf. Incluso si la mar está picada, el surfista se mueve sobre una ola como si nada, y lo mismo le pasa a los levitones, que permiten propagar un solo electrón como si fuera inmune al ruido cuántico de fondo en el conductor. Fabricar levitones es difícil por ello ha costado casi 20 años lograrlo, pero al final ha sido posible observar experimentalmente estos levitones en el laboratorio.

El artículo teórico es Leonid S. Levitov, Hyunwoo Lee, Gordey B. Lesovik, “Electron counting statistics and coherent states of electric current,” J. Math. Phys. 37: 4845-4866, 1996 (arXiv:cond-mat/9607137).

Dibujo20131103 Electron-hole excitation content of charge pulses and the dynamical orthogonality catastrophe - nature com

Para producir un levitón en un conductor se le aplican pulsos ultracortos (de 30 picosegundos) con una forma especial, una función matemática llamada de Lorentz, por ello son llamados pulsos lorentzianos. Pulsos eléctricos con una forma diferente tienen un gran contenido en huecos, lo que impide la formación del levitón. Estos pulsos ultracortos de 30 ps son enviados en forma de tren con una tasa de repetición de 166 ps. Los pulsos tienen que ser tan cortos porque aunque son inmunes al ruido de Schottky no lo son al ruido térmico y la escala de tiempo asociada al ruido térmico en el conductor que está enfriado a 35 mK es del orden de 220 ps.

Hay que recordar que un nanoelectrodo o contacto eléctrico a escala nanométrica se comporta como como un pantano de agua, perdón, como un depósito de electrones, por ello es llamado “mar de Fermi”. Cambiar el voltaje en este contacto es como cambiar el nivel del agua del pantano, incrementando el nivel del agua si se añaden electrones al electrodo, o vaciando el pantano si se extraen electrones. De hecho, una tensión variable u oscilatoria genera ondas en el mar de Fermi, ondas de pares electrón-hueco. Julie Dubois y sus colegas utilizan un circuito de escala nanométrica que consta de dos electrodos conectados por un pequeño conductor. Se aplican impulsos de tensión en forma de Lorentz en un electrodo para generar levitones que viajan a través del conductor hacia el otro electrodo. La observación de levitones requiere técnicas experimentales sofisticadas, pero quizás te preguntes, ¿cómo saben estos científicos franceses que se han observado levitones y no otro tipo de ondas?

Dibujo20131103 Leviton wavefunction in the time domain - nature com

Julie Dubois y sus otros colegas del grupo de Christian Glattli han verificado que las ondas que se propagan por el nanohilo conductor son levitones estudiando sus interacciones mutuas. Las ondas solitarias y los solitones tienen la propiedad de que son robustos ante interacciones mutuas, es decir, dos de estas ondas pueden interaccionar y recuperar su forma original y velocidad tras la interacción. Por ello han propagado los levitones generados en dos electrodos situados en sus extremos y se ha estudiado su interferencia en el centro del conductor. Para ello han estrechado el conductor en su centro, haciendo que se comporte como un punto cuántico, lo que llaman un contacto de tipo punto cuántico, que actúa como un espejo semi-transparente para los electrones. Gracias a esta analogía han repetido un experimento de interferencia entre fotones individuales descubierto en 1987 por Hong, Ou y Mandel. Julie Dubois y sus colegas han construido un análogo con electrones a este experimento con fotones; hay que recordar que los fotones son bosones y los electrones son fermiones, lo que introduce un cambio en el efecto de Hong-Ou-Mandel. Teniendo en cuenta este cambio se ha verificado que la interacción entre los electrones de los levitones es la esperada para la interacción individual de electrones en pie de igualdad a la interacción entre fotones individuales tras pasar por un divisor de haz en el experimento de Hong-Ou-Mandel. Por ello el artículo técnico tiene en el título el término óptica cuántica de electrones.

¿Y qué utilidad práctica pueden tener los levitones? La aplicación más interesante es fabricar un generador de electrones individuales, ya que cada levitón es robusto ante el ruido en el conductor y su estado fundamental propaga un sólo electrón. Como he dicho antes, podemos pensar que el levitón es como una tabla de surf que lleva a un electrón, el surfista, por encima del ruido cuántico del conductor, por encima de la mar picada. Una fuente robusta de electrones individuales de este tipo abre una gran cantidad de aplicaciones, por ejemplo, podríamos imaginar en un futuro una electrónica cuántica basada en levitones, lo que podríamos llamar la “levitrónica”. También se abren nuevas líneas de investigación básica basadas en análogos con electrones a los efectos en óptica cuántica que se pueden lograr con divisores de haz, interferómetros y otros sistemas de procesamiento óptico de la información.

Como siempre, el trabajo pionero de Julie Dubois y sus colegas dará lugar a muchos trabajos futuros que estudiarán en detalle las propiedades de los levitones individuales y las propiedades estadísticas de conjuntos de levitones. Las interacciones mutuas entre los levitones pueden ser aprovechadas para desarrollar dispositivos “levitrónicos” que funcionen en modo conmutación y puertas lógicas para lo que podríamos llamar ordenadores levitrónicos. Realmente, sólo la imaginación puede limitar el futuro de los dispositivos que permitirá desarrollar este tipo de tecnología. Sin lugar a dudas, la física es apasionante.

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Un pensamiento en “Francis en @TrendingCiencia: El levitón que transporta un electrón individual en un conductor

  1. Un artículo interesantísimo. Creo que un problema de la física es que la nomenclatura que se da a ciertos fenómenos o partículas, por el hecho de tratar de honrar a su descubridor o investigador de turno, la vuelve una vuelta de tuerca más complicada de lo estrictamente necesario. Al principio creía que un levitón sería algo que levitaba… Hubiera sido más intuitivo que se llamara “ola_de_electrón_surferón” :P (geniales las analogías, por cierto).

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