Des ondes quantiques à l'échelle macroscopique : un fil aussi fin qu'un cheveu express
Un mince fil d'argent long comme un cheveu, et pourtant, les lois quantiques pures y règnent. Des physiciens ont construit un conducteur où les électrons ne peuvent se déplacer que vers l'avant ou vers l'arrière, comme sur une route à voie unique parfaitement droite, sans accotement. Sur une telle route, le moindre nid-de-poule ou le moindre caillou détruit généralement l'état quantique fragile. Mais ici, la route s'est avérée étonnamment lisse.
Les chercheurs ont refroidi le système à une température proche du zéro absolu et ont mesuré comment le courant tunnel (filtre à travers une barrière) entre deux fils parallèles. Sous l'effet d'un champ magnétique, une figure d'interférence complexe est apparue : les ondes électroniques se superposaient, se renforçant et s'affaiblissant mutuellement. La modélisation informatique, sans paramètres ajustables, a parfaitement coïncidé avec l'expérience. Autrement dit, un conducteur de 18 micromètres de long se comporte comme un système quantique impeccable.
Mais le plus surprenant se cachait à basse tension. Les chercheurs ont non seulement détecté le blocage de Coulomb (l'énergie nécessaire pour ajouter un électron supplémentaire), mais ils ont aussi clairement distingué les états orbitaux et de spin individuels. Cent électrons remplissaient le fil dans un ordre strict : spin up, spin down, spin up, sans la moindre défaillance. Les états de spin élevés n'apparaissaient jamais.
Un tel ordre dans un système de cent particules, long comme un cheveu, est un véritable pont entre les mondes. La mécanique quantique d'un électron unique s'applique soudain à un objet que l'on peut observer au microscope. Ce n'est pas seulement une belle expérience. C'est un indice pour trouver la frontière où l'étrangeté quantique cède la place à la réalité familière.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2608.02431v1
Increasing the size of a system showing quantum effects is a difficult task limited by decoherence, a diminishing quantum level spacing, and the effects of disorder spoiling the quantum behavior when growing in size. Systems in 1D offer very strong confinement in the transverse directions, thus generally enhancing quantum effects, but are notoriously sensitive to disorder. In this work, we present a system of 1D electrons exhibiting discrete quantum levels and fully ballistic coherent quantum interference with lengths of up to 18\,$$\mu$$m. Tunneling spectroscopy between two parallel quantum wires with a central gated segment shows intricate interference patterns exhibiting several different periods in magnetic field and density. An analysis over three different wire lengths and a comparison with single particle numerical simulations without any free parameters remarkably explains the full pattern including the observed periods. Therefore, these wires are essentially ideal 1D systems with aspect ratios approaching 1'000. In addition, at low bias, we also observe not only the Coulomb charging energies but can clearly resolve the discrete orbital and spin states in up to 10\,$$\mu$$m long wires when filling 100 electrons with the center gate. This is made visible by a state-of-the-art low temperature and low noise measurement system. The spin filling sequence is completely regular, strictly alternating spin up and down, avoiding high spin states, while the peak conductance is modulated in accordance with the previously discussed interference patterns. These striking results show that single particle Schr\"odinger quantum mechanics such as ballistic quantum interference and discrete quantum states may be observed, under the right conditions, in systems of up to 18\,$$\mu$$m length, thus approaching macroscopic sizes.
18 micromètres, c'est environ un cinquième de l'épaisseur d'un cheveu humain. Pour le monde quantique, où l'on travaille habituellement en nanomètres, une telle longueur équivaut à un voyage à travers toute une ville.
Dans le roman « La Cité des permutants » de Greg Egan, des copies virtuelles d'êtres humains existent grâce à des calculs quantiques impeccables qui exigent de préserver l'interférence sur de longues distances — un peu comme dans ces fils.