Simulation quantique : appariement électronique dans un nanotube de carbone

Un état électronique similaire à celui des supraconducteurs vient d’être prédit pour un nanotube de carbone suspendu entre deux électrodes.

La simulation quantique est une approche qui consiste à utiliser une expérience de physique quantique comme support de calcul d’une simulation. La plupart des schémas de simulation quantique considèrent des électrons en interaction. Avec de tels systèmes, on peut par exemple envisager de simuler le comportement des électrons dans un matériau supraconducteur à haute température sans pour autant avoir à réaliser expérimentalement une tel matériau. Dans une publication parue dans Nano Letters le 10 Novembre 2021, des chercheurs du LOMA (CNRS, université de Bordeaux) et de l’ICFO identifient l’existence d’un régime d’électrons appareillés similaire à celui observé en supraconductivité dans un système qui n'est pas supraconducteur.

Ce travail théorique exploite une configuration avec un nanotube suspendu sur lequel se trouvent quatre boites quantiques, c’est-à-dire quatre sites de confinement électronique. L’état d’appariement est rendu possible par un couplage entre les électrons et les phonons, du fait de la flexibilité des nanotubes. Ce couplage peut être modifié par l’application d’un champ électrique appliqué via une tension de grille au voisinage du nanotube. En fonction de ce couplage, on trouve alors une transition entre une phase homogène et une phase d’appariement. La phase homogène, dite de Mott, est pour les couplages faibles. Elle est caractérisée par la présence d’un électron dans chacune des quatre boites quantiques en raison de la répulsion entre les électrons. Pour la phase d’appariement à plus fort couplage, les deux paires d’électrons occupent les deux boîtes centrales. Cet effet est le résultat de l’interaction des électrons avec les phonons liés à la flexibilité du nanotube

Ce schéma de simulation quantique peut être réalisé avec la technologie actuelle. Il ouvre notamment la voie à l’étude des interactions électron-phonon dans des processus quantiques tels que la supraconductivité.