Группе ученых из Кембриджского университета удалось произвести наблюдения за необычными квантовыми эффектами, возникающими в «одномерных квантовых» проводниках при движении по ним электронов, сжатых до невероятно высокой плотности. Такая плотная «упаковка» электронов в нанопроводниках выдвигает на первый план квантовые (волновые) свойства этих частиц и при взаимодействии между ними возникают весьма необычные эффекты, которые в будущем можно будет использовать в квантовых технологиях нового вида, включая и технологии квантовых вычислений.
Сжатие электронов внутри одномерного квантового проводника усиливает их квантовую природу настолько, что зная их энергию и длину волны (импульс), становится возможным реализовать совершенно новые методы управления их поведением. «Представьте себе переполненный людьми вагон поезда или метро» — рассказывает профессор Кристофер Форд (Christopher Ford), — «Если кто-нибудь пытается войти в этот вагон, это заставляет находящихся рядом людей немного потесниться и освободить место. Эти люди, в свою очередь, теснят соседей и так далее. В результате этого через вагон начинает перемещаться «волна сжатия», определяющая то, как люди взаимодействуют с их соседями. А скорость этой волны зависит от того, сколько усилий приложил к этому человек, которому удалось забраться в переполненный вагон».
«То же самое происходит и с электронами в квантовом проводнике — они толкают друг друга, в результате чего возникает волна» — рассказывает доктор Мария Морено (Dr Maria Moreno), — «Но у электронов имеется одна интересная характеристика — их угловой момент вращения, посредством которого и происходит взаимодействие с «соседями». В результате в переполненном квантовом проводнике возникают волны вращения электронов, переносящие энергию вдоль проводника и эти волны можно использовать для так называемой туннельной спектроскопии».
Но самое интересное возникает тогда, когда в квантовый проводник попадает электрон с очень высокой энергией. В случае вагона это можно представить, как человек врывается в вагон, предварительно разогнавшись до большой скорости, и буквально сшибает стоящих там людей.
Для того, чтобы реализовать такой «фокус» кембриджские ученые изготовили структуру из 6 тысяч узких металлических полос, между которыми были проложены проводники из арсенида галлия (GaAs). Изменяя силу, форму внешнего магнитного поля и прикладываемый к металлическим полосам электрический потенциал, ученые добились того, что электроны за счет эффекта квантового туннелирования переходят на полупроводниковые проводники, заполняя их, подобно людям, входящим в вагон.
Короткие импульсы высокого напряжения служили для разгона электронов, которые на полной скорости «влетали в переполненный вагон» квантового проводника. И все происходящее регистрировалось путем измерения протекающего через проводник тока.
Следует отметить, что некоторые из кривых, полученных учеными во время экспериментов, в большинстве случаев почти в точности отражают поведение спин-волн сжатия, рассчитанное при помощи теоретических моделей. Это говорит о том, что ученым удалось добиться понимания поведения электронов, которые искусственно помещены в «тяжелые условия», и такое поведение электронов можно будет использовать в своих целях при создании стандартных блоков будущих квантовых компьютеров и коммуникационных устройств.
Источник:
