Des physiciens de l’Université de Bâle ont pour la première fois démontré expérimentalement qu’il existe une corrélation négative entre les deux spins d’une paire d’électrons intriqués provenant d’un supraconducteur. Pour leur étude, ils ont utilisé des filtres de spin composés de nano-aimants et de points quantiques, comme ils le rapportent dans la revue scientifique "Nature".
2L’intrication de deux particules est l’un des phénomènes de la physique quantique qui est difficilement conciliable avec l’expérience quotidienne. Lors de l’intrication, décrite par Albert Einstein comme une ’action hantée à distance’, certaines propriétés de deux particules sont étroitement liées, même si elles sont très éloignées l’une de l’autre. L’étude de l’intrication dans les particules de lumière a été récompensée par le prix Nobel de physique de cette année.
Deux électrons peuvent également être entrelacés, par exemple par leur spin. Ainsi, dans un supraconducteur, deux électrons forment des paires dites de Cooper, dans lesquelles les spins individuels sont entrelacés et qui assurent la conduction du courant sans perte.
Depuis quelques années, des chercheurs du Swiss Nanoscience Institute et du Département de physique de l’Université de Bâle sont en mesure d’extraire des paires d’électrons d’un supraconducteur et de séparer spatialement les deux électrons. Ils y parviennent en utilisant deux points quantiques - des structures nanoélectroniques connectées en parallèle, chacune d’entre elles n’étant perméable qu’à des électrons individuels.
Spins électroniques opposés de paires de Cooper
Aujourd’hui, l’équipe de Christian Schönenberger et d’Andreas Baumgartner, en collaboration avec des chercheurs de Lucia Sorba de l’Istituto Nanoscienze-CNR et de la Scuola Normale Superiore de Pise, a pour la première fois démontré expérimentalement ce qui était attendu depuis longtemps sur le plan théorique : Les électrons d’un supraconducteur apparaissent toujours par paires et avec des spins opposés.
Grâce à un dispositif expérimental innovant, les physiciens ont pu mesurer que le spin d’un électron est dirigé vers le haut lorsque l’autre est dirigé vers le bas, et inversement. Nous avons ainsi prouvé expérimentalement la corrélation négative entre les spins d’électrons appariés", explique Andreas Baumgartner, qui a dirigé le projet.
Les chercheurs y sont parvenus en utilisant un filtre de spin qu’ils ont eux-mêmes développé. Pour cela, ils ont créé des champs magnétiques réglables individuellement à l’aide de minuscules aimants dans chacun des deux points quantiques qui séparent les électrons de la paire de Cooper. Comme le spin détermine également le moment magnétique d’un électron, seul un certain type de spin est laissé passer à chaque fois.
Nous pouvons régler les deux points quantiques de manière à laisser passer principalement les électrons ayant un certain spin", explique le Dr Arunav Bordoloi, premier auteur de l’étude, pour décrire le dispositif expérimental. Par exemple, un électron avec un spin vers le haut passe par un point quantique et un électron avec un spin vers le bas passe par l’autre point quantique, ou inversement. Si les deux points quantiques sont réglés de manière à ne laisser passer que les mêmes spins, les courants électriques sont réduits dans les deux points quantiques, même si un seul électron devrait tout à fait passer par un seul point quantique’.
’Avec cette méthode, nous avons pu mettre en évidence pour la première fois de telles corrélations négatives entre les spins des électrons d’un supraconducteur’, résume Andreas Baumgartner. ’Nos expériences sont la première étape, mais pas encore une preuve complète de l’intrication des spins des électrons, car nous ne pouvons pas régler les filtres de spin à volonté - mais nous y travaillons encore’.
Ce travail, publié dans ’Nature’, est considéré comme une étape importante dans la poursuite de l’étude expérimentale des phénomènes de mécanique quantique, comme l’intrication des particules dans les solides, qui est également un élément central du fonctionnement des ordinateurs quantiques.
Publication originale
Arunav Bordoloi, Valentina Zannier, Lucia Sorba, Christian Schönenberger, Andreas Baumgartner
Spin Cross-Correlation Experiments in an Electron Entangler
Nature (2022), doi : 10.1038/s41586’022 -05436-z
